ТКз-12 (Общая теория связи, часть 1) / 01

1

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИСТЕМ СВЯЗИ

1.1. Задачи и терминология систем электросвязи

Выполнение задач, стоящих перед техникой связи, сводится к решению двух основных проблем. Первая – проблема эффективности связи: требуется передать наибольшее количество информации наиболее экономным способом. Теория электрической связи (ТЭС) позволяет сравнивать различные системы связи по эффективности, указывает резервы, за счет которых может быть повышена эффективность. Вторая – проблема помехоустойчивости связи. Вследствие влияния помех принятое сообщение будет отличаться от переданного. Степень соответствия переданного и принятого сообщений, выраженная в некоторой количественной мере, характеризует

помехоустойчивость передачи сообщений. При передаче дискретных сооб-

щений (букв, цифр) приемник под воздействием помех может «спутать» действительно переданный символ с другим возможным, вследствие чего возникает ошибка.

Итак, проблемы повышения эффективности и помехоустойчивости – основные для связи. Постановка и разрешение их составляет основное содержание теории электрической связи. Следует подчеркнуть, что требования эффективности и помехоустойчивости в известном смысле противоречивы. Поэтому важную роль в курсе ТЭС играют методы построения оптимальных систем связи, позволяющие повысить скорость передачи информации и помехоустойчивость. Единство фундаментальной теории потенциальной помехоустойчивости академика В.А. Котельникова и теории информации американского математика К. Шеннона позволило создать современную статистическую теорию связи. Математический аппарат статистической теории связи разработан академиком А.Н. Колмогоровым – главой российской школы теории вероятностей.

Для удовлетворения потребностей современного общества создано множество систем электросвязи различного назначения, и число их продолжает расти. Все они необходимы для обмена информацией.

Под системой электросвязи понимают совокупность технических (аппаратно-программных) средств и среды распространения сигналов, обеспечивающих передачу сообщений от источника к потребителю (или потребителям).

Можно выделить основные субъекты любой системы связи: источ-

ник информации, приемник информации и канал связи, содержащий кана-

лообразующую аппаратуру и среду распространения физических сигналов, содержащих информацию.

Таким образом, при характеристике систем электросвязи используются понятия – информация, сообщение, сигнал, которые имеют много общего и иногда используются как синонимы. Однако их надо раз-

2

личать для правильного понимания физических процессов обмена информацией в системах связи.

Вшироком смысле информация (лат. informatio – разъяснение, изложение) – это новые сведения об окружающем нас мире, которые мы получаем в результате взаимодействия с ним. Информация – одна из важнейших категорий естествознания (наряду с веществом, энергией и полем).

Информация в любой форме является объектом хранения, передачи

ипреобразования. В теории и технике связи в первую очередь интересуются свойствами информации при ее передаче, т. е. под информацией понимают совокупность сведений о явлениях, событиях, фактах, заранее не известных получателю. Чем большую новизну имеют сведения, тем больше количественное значение оценки информации. Информация должна иметь определенное воплощение.

Сообщение – форма (способ) представления информации. Это условные знаки, с помощью которых мы получаем те или другие сведения (информацию). Так, сведения о результате футбольного матча можно узнать из рассказа очевидца (условное сообщение) или прочитать в газете (письменное сообщение). При телеграфной передаче сообщением является текст телеграммы, представляющей собой последовательность различных букв

изнаков. При разговоре это последовательность звуков, при телевизионных передачах – изменение во времени яркости и цветности элементов изображения.

Множество возможных сообщений с их вероятностными характеристиками называется ансамблем сообщений. Выбор сообщений из ансамбля осуществляет источник сообщений. Процесс выбора является случайным, поскольку заранее не известно, какое сообщение будет передаваться. Сообщения, предназначенные для обработки в компьютерных информационных системах, принято называть данными. Однако сообщения в общем случае не могут быть непосредственно переданы по системе связи в соответствующий адрес и поэтому дополнительно преобразовываются в материальную форму – сигнал.

Сигнал (лат. signum – знак) – процесс изменения во времени физического состояния какого-либо объекта, служащий для отображения, регистрации или передачи сообщений. Поэтому сигнал можно считать материальным носителем (переносчиком) сообщений. В современной технике нашли применение электрические, электромагнитные, световые, механические, звуковые сигналы. Для передачи сообщений необходимо применять тот переносчик, который способен наилучшим образом преодолеть расстояние от источника к потребителю.

Всистемах электросвязи переносчиками, используемыми для передачи сообщений на расстояния, обычно являются переменный электрический ток, электромагнитное поле, световые волны. И это не случайно. Вопервых, скорость распространения в пространстве перечисленных пере-

3

носчиков приближается к предельной скорости распространения любых физических процессов (к скорости света в вакууме – 300 000 км/с). Во-вто- рых, с их помощью можно передавать огромное количество информации.

При передаче сообщений в одну сторону от отправителя к получателю, или от «точки к точке», используется двухточечный односторонний канал связи (симплексный режим). Если источник и получатель поочередно меняются местами, то для обмена сигналами необходимо использовать поочередный двухсторонний канал связи, допускающий передачу как в одну, так и в противоположную сторону (полудуплексный режим). Более широкие возможности для обмена сигналами предоставляет одновременный двусторонний канал связи, обеспечивающий одновременную передачу сигналов в противоположных направлениях (дуплексный режим).

При необходимости обмена сообщениями между многими отправителями и получателями, называемыми в этом случае пользователями или абонентами, требуется создание систем передачи сообщений с большим числом каналов связи. Это приводит к концепции системы передачи и распределения сообщений, т. е. системы связи в широком смысле. Такую систему обычно называют сетью связи (электросвязи), сетью передачи информации или сетью передачи сообщений. Примером такой сети может служить полносвязная сеть (рис. 1.1), где оконечные пункты (ОП) подключены друг к другу по принципу «каждый с каждым».

Данная сеть является некоммутируемой, и связь между абонентами осуществляется по постоянно закрепленным (некоммутируемым) каналам. Распределение информации в таких сетях обеспечивается специальными методами доступа или процедурами управления передачей информации, служащими для уведомления о том, какие абоненты будут осуществлять обмен сообщениями. При увеличении числа абонентов в многоточечной сети значительно возрастают задержки в передаче информации, а в полносвязных сетях

существенно увеличивается число линий связи и объем аппаратуры. Эти проблемы решаются путем использования коммутируемых сетей, где абоненты связываются между собой не непосредственно, а через один или несколько узлов коммутации. Таким образом, коммутируемая сеть представляет собой совокупность оконечных пунктов, узлов коммутации и соединяющих их линий связи.

Основная задача современных систем связи – обеспечение широкого круга пользователей (людей или организаций) разнообразными информационными услугами, в число которых входит, в первую очередь, эффективная доставка сообщений из одного пункта в другой, удовлетворяющая требова-

4

ниям по скорости, достоверности, времени задержки, качеству, надежности и стоимости.

Статистические характеристики потока вызовов изучаются методами теории массового обслуживания, в частности теорией телетрафика. Эта теория позволяет установить требования к узлам коммутации и числу линий, при которых гарантируется удовлетворительное качество связи при заданном проценте отказов или времени ожидания. Так, например, нагрузка телефонной сети зависит от количества, моментов времени возникновения

ипродолжительности телефонных разговоров.

Всовременных системах передачи информации проводные линии связи являются наиболее дорогостоящим звеном, поэтому возникает задача построения систем, использующих одну линию связи для передачи сообщений от нескольких источников. Такие системы называются многока-

нальными системами передачи (МСП).

Из рассмотренных ранее понятий и определений следует, что в любой системе связи должны быть устройства, осуществляющие преобразования между указанными формами представления информации.

1.2. Структурная схема одноканальной системы передачи информации

Итак, под системой электросвязи понимают совокупность технических (аппаратно-программных) средств и среды распространения сигналов, обеспечивающих передачу сообщений от источника к потребителю (или потребителям).

Из приведенных ранее определений следует, что в любой системе электросвязи должны быть устройства, осуществляющие следующие преобразования:

–при передаче: информация сообщение сигнал;

–при приеме: сигнал сообщение информация.

Кроме того, в процессе передачи сигнал подвергается и другим преобразованиям, многие из которых являются типовыми, обязательными для различных систем электросвязи, независимо от их назначения и характера передаваемых сообщений. Перечислим эти процессы и их основные черты применительно к обобщенной структурной схеме системы электросвязи, представленной на рис. 1.2.

Одноканальная система электросвязи содержит:

–один источник информации (ИИ),

–один получатель информации (ПИ),

–преобразователь сообщения в первичный электрический сигнал,

–преобразователь первичного электрического сигнала в сообщение,

6

Процесс преобразования сообщения в электрический сигнал в общем случае осуществляется с помощью электрических или электромеханических устройств, которые воспринимают неэлектрические сообщения ап (передаваемое сообщение) и выдают их в виде электрического процесса – изменяющегося во времени напряжения или тока. Это так называемые первичные преобразователи, и их выходной сигнал является первичным электрическим сигналом u(t) (или, проще говоря, первичным сигналом). Так, при передаче речи и музыки первичное преобразование производится микрофоном, при передаче изображения (телевидение) – с помощью передающих трубок. Буквы текста преобразуются в стандартные электрические сигналы (например, импульсы (точки) и паузы (тире) различной длительности в азбуке Морзе).

Первичные сигналы с преобразователя, как правило, не могут быть непосредственно переданы по линии связи. Ведь первичные сигналы низкочастотные, а в линии связи эффективно передаются высокочастотные колебания. Для согласования первичных сигналов с линией связи применяется устройство, называемое передатчиком, так как именно в нем осуществляется преобразование первичных сигналов u(t) в сигналы, удобные для передачи по линии связи (по форме, мощности, частоте и т. д.). Данное устройство (или совокупность устройств в составе передающего полукомплекта) предназначено для преобразования первичного сигнала, оно должно обеспечивать эффективную передачу сформированного канального сигнала S(u,t) на достаточно большие расстояния. В простейшем случае передатчик может содержать усилитель первичных сигналов или только фильтр, ограничивающий полосу передаваемых частот. В большинстве случаев передатчик – генератор переносчика (несущей частоты) и модулятор. Процесс модуляции заключается в управлении параметрами переносчика первичным сигналом u(t). На выходе передатчика получаем модулированный сигнал S(u,t). Еще одним вариантом преобразования, применяемым для передачи дискретных сигналов, является линейное кодирование. Это специальные способы представления дискретных сообщений для передачи по линиям связи, в основном использующие импульсное представление сигналов.

Под линией связи понимают совокупность физических цепей, имеющих общую среду распространения и служащих для передачи электрических сигналов от передатчика к приемнику. Такими физическими цепями, соединяющими передатчик и приемник, могут быть пара проводов, коаксиальный кабель, цепочка радиорелейных линий, часть пространства между передающей и приемной антеннами в радиосвязи.

Для каждого типа линии связи имеются сигналы, наиболее эффективно распространяющиеся по ней. Например, для проводной линии это постоянный ток и переменные токи невысоких частот (не более нескольких десятков килогерц), по радиолинии – электромагнитные колебания вы-

7

соких частот (от сотен килогерц до десятков тысяч мегагерц), в оптических кабелях – световые волны с частотами 1014–1016 Гц.

При прохождении по линии связи электрические сигналы, вопервых, значительно ослабляются (затухают), во-вторых, подвергаются воздействию посторонних мешающих электромагнитных колебаний – помех. Антенна приемника, например, улавливает ничтожную долю электромагнитной энергии, излучаемой антенной передатчика, уровень же помех в антенне часто намного превышает уровень сигнала. Следовательно, на выходе линии связи будет смесь принятого сигнала и помехи, обозначенная на рис. 1.2 S′(t).

В приемнике из принятого сигнала S′(t) извлекается (восстанавливается) первичный сигнал. Но из-за действия помех в линии связи восстановленный первичный сигнал несколько отличается от переданного,

ипоэтому он на рис. 1.2 обозначается uпр(t). Кроме того, для компенсации ослабления сигнала в линии связи в приемнике производятся усиление

иобработка принятого сигнала с целью выделения полезного сигнала

иподавления помехи.

Обратное преобразование принятого первичного сигнала uпр(t) в сообщение апр (принимаемое сообщение) осуществляется с помощью специальных устройств. Так, например, для восстановления речевого сигнала из электрического применяется динамик телефона, для восстановления телевизионного сигнала – кинескоп. В принципе, необходим такой преобразователь, который преобразует принятый первичный сигнал в сообщение, воспринимаемое получателем. Так, при передаче музыки принятый первичный сигнал преобразуется в звуковые колебания, если получателем является человек. Если же требуется осуществить магнитофонную запись, то принятый первичный сигнал преобразуется в сигнал, удобный для записи на магнитной ленте. Главное требование к этим действиям – точность преобразования.

Источник и потребитель информации являются абонентами в системе связи. Достаточно часто преобразователи сообщения в первичный сигнал и первичного сигнала в сообщение ставят около источника и потреби-

теля, поэтому их называют абонентскими устройствами (терминалами).

Вприведенной на рис. 1.2 обобщенной структурной схеме системы электросвязи можно выделить канал электросвязи, под которым понимают совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающих при подключении оконечных абонентских устройств передачу сообщений любого вида от источника к потребителю с помощью сигналов электросвязи.

Взависимости от вида сообщений и среды распространения различают каналы: телефонные, телеграфные, передачи данных, звукового и телевизионного вещания, проводные и кабельные, радиосвязи, дискретные,

8

цифровые и т. д. Но по каждому из них, в зависимости от подключаемых терминалов, могут передаваться различные сообщения.

На практике часто возникает необходимость обеспечить независимую передачу сообщений от нескольких источников, расположенных в пункте А, к потребителям, расположенным в пункте Б. Использование для каждой пары источник–потребитель отдельной линии связи экономически нецелесообразно. В современных сетях связи применяются многоканальные системы, использующие одну линию связи для передачи сообщений от нескольких источников. В них сигналы, поступающие от разных источников сообщений, должны обладать определенными признаками, позволяющими разделить сообщения на приеме. Для этого на передающей стороне необходимо иметь формирователь канальных сигналов, а на приемной – устройство разделения. Таким образом, дополнив структурную схему системы связи (см. рис. 1.2) устройствами формирования и разделения сигналов, получаем многоканальную систему передачи (МСП).