Лекция 2. Принципы организации связи в телекоммуникационных системах

2.1 Физические принципы

Сообщения, сигналы и методы модуляции

При обмене информацией используется понятие сообщения.

Сообщение- это законченный информационный блок. передаваемый или принимаемый в рамках одного сеанса связи. В общем случае сообщение, помимо полезной информации, может содержать служебную информацию, содержащую сведения об адресе, имени абонента, срочности или типе сообщения, методах коррекции ошибок и т.д.

В телекоммуникационных системах для транспортировки сообщений используются системы электросвязи, то есть системы, использующие в качестве носителя электрические сигналы. В общем случае - электромагнитные (включая радиосигналы, инфракрасные лучи и оптические сигналы).

Сообщения подразделяются на непрерывные (аналоговые) и дискретные.

Принцип передачи сообщения по сети связи

Источник может генерировать как непрерывное, так и дискретное сообщение.

В любом случае для его передачи по сети электрической связи необходимо преобразовать сообщение в электрический сигнал S(t). Электрический сигнал также может быть непрерывным или дискретным. Непрерывный электрический сигнал характеризуется частотой передачи, а дискретный – скоростью передачи элементов-(импульсов)

На приемной стороне принятый сигнал преобразуется в сообщение, которое и передается получателю.

В процессе передачи сигнал может исказиться. В связи с этим, для обнаружения и устранения этих искажений при передаче применяется помехозащищенное кодирование сигнала. А на приемной стороне – декодирование.

При преобразовании исходного сообщения в электрический сигнал используется модуляция - то есть, изменение какой либо характеристики несущего сигнала в соответствии с исходным сигналом или сообщением. На приемной стороне осуществляется обратное преобразование - демодуляция.

Модуляция осуществляется на передающей стороне, а демодуляция - на приемной. В системах двунаправленной связи на взаимодействующих объектах должна осуществляться как модуляция так и демодуляция. Устройства. осуществляющие эти функции называютсямодемами (МОдулятор-ДЕМодулятор).

Все виды модуляции можно разделить на непрерывные и импульсные.

Непрерывные виды модуляции - амплитудная, частотная и фазовая.

При этом в качестве несущего сигнала используется гармоническое колебание “несущей частоты”. В зависимости от вида модуляции в соответствии с исходным сигналом изменяется амплитуда, частота или фаза несущего сигнала.

Импульсные виды модуляции

В качестве переносчика сигналов используется периодическая последовательность прямоугольных импульсов.

Виды модуляции

Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ)

Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ)

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

Фазо-импульсная модуляция (ФИМ). А также их комбинации.

В современных системах связи используется в основном импульсно-кодовая модуляция(ИКМ), основанная на кодировании амплитуд импульсов, полученных с использованием АИМ. При этом мгновенное значение амплитуды представляется в виде цифрового двоичного кода. Поэтому системы с ИКМ называются цифровыми системами передачи.

При ИКМ осуществляется дискретизация иквантованиеисходного непрерывного сигнала.

Дискретизациисигнала

Проблема дискретизации широко освещена в литературе. Считается, что первыми основополагающими работами в этой области были работа Котельникова В.А. “О пропускной способности “эфира” и провол1оки в электросвязи”, вышедшая в 1933г. и независимо от него статья “Связь при наличии шума”, написанная К. Шенноном и опубликованная в 1949г Теорема Котельникова-Шеннона ( называемая часто теоремой отсчетов) позволяет выбрать частоту дискретизации с учётом граничной частоты спектра дискретизируемой функции

Теорема отсчетов Котельникова-Шеннона .

Непрерывная функция (сигнал) с ограниченным спектром частот (наивысшая частота Fгр) может быть точно представлена своими мгновенными значениями в моменты, отстоящие друг от друга на  1/2Fгр

По теореме Котельникова частота дискретизации сигнала F_d .

F_d >=2* Fгр

где Fгр - максимальная частота спектра частот исходного сигнала

Теорема Котельникова сыграла значительную роль в развитии теории связи и информации. Она наглядна при спектральном представлении сигнала. Её преимуществом является методологический характер. Из неё вытекает не только частота дискретизации, но и метод восстановления рядом Котельникова и способ восстановления при помощи идеального фильтра.

Квантованиеамплитуды сигнала.

При переходе от АИМ к ИКМ осуществляется квантование амплитуды сигнала (т.е. деление мгновенной амплитуды на некоторое число уровней – уровней квантования, каждый из которых кодируется двоичным числом). .Таким образом мгновенное значение амплитуды передается в виде цифры в двоичном коде. Поэтому системы связи с ИКМ называются цифровыми системами передачи.

Далее мы будем рассматривать только цифровые системы передачи.

Например, при передаче телефонной речи, считается достаточным передавать сигнал с полосой частот в пределах 3400 Гц. В соответствии с теоремой Котельникова, частота дискретизации исходного сигнала должна составлять не менее 6800 Гц. Для удобства принято значение 8 Кгц. То есть каждое новое мгновенное значение (отсчет) звукового сигнала берется через 125 мкс.

Для передачи речи в телефонии принято 256 уровней квантования. При этом для представления одного значения амплитуды достаточно 8 двоичных разрядов. Таким образом мгновенное значение амплитуды передается восемью двоичными импульсами.

Поэтому общая скорость передачи импульсов для одного речевого сообщения в виде ИКМ сигнала составит

8000 * 8 = 64000 бит/сек.

Это явилось причиной того, что канал с пропускной способностью 64Кб/сек является базовой величиной пропускной способности в цифровых сетях связи и часто называется речевым или временным каналом системы ИКМ.