Лекция 1

2.1. Сигнал как средство отображения информации.

Электрический сигнал является материальным носителем со­общения и представляет собой физический процесс, несущий в себе информацию. Количество информации, которое может переносить данный сигнал, зависит от числа модулируемых его параметров, к которым относятся амплитуда, частота, фаза, длительность. Ко­личество информации, переносимое сигналом, уменьшается при повышении уровня помех и искажений в канале (линии) связи.

Различают детерминированные и случайные сигналы. К детерминированным относят сигналы, параметры и мгновенные значе­ния которых в любой момент времени известны или могут быть предсказаны с вероятностью, равной единице на приемной сторо­не. К таким сигналам относятся, например, гармонический сигнал, частота, амплитуда и фаза которого известны.

Детерминированные сигналы делят на периодические и непе­риодические.

Под периодическим понимают cигнaл, для которого выполняется условие , где— период повторения,— целое число. Так, для гармонического колебания, которое является простейшим периодическим детерминированным cигнaлoм,

при

где — соответственно амплитуда, угловая частотаи начальная фаза гармонического колебания.

Непериодический детерминированный сигнал — это любой детерминированный сигнал, для которого не выполняется условие . Такие сигналы, как правило, ограничены во вре­мени, например, широко используемые в практике импульсы, пач­ки импyльcoв, отрезки гармонических колебаний.

Периодический и непериодический сигналы характеризуются своими спектральными функциями.

К случайным относят cигнaлы, описываемые случайными функ­циями времени. Значения и параметры случайных сигналов зара­нее неизвестны и могут быть предсказаны с некоторой вероятно­стью меньше единицы.

По особенностям структуры временного представления все сигналы делятся на непрерывные и дискретные. К непрерывным сигналам относят сигналы не имеющие четких границ, отдельные элементы кoтopыx, сливаясь друг с другом, образуют единый элек­трический процесс. К таким сигналам oтнocятcя, например, речевые сигналы. К дискретным относят cигнaлы, элементы кoтopыx, в отличие от нeпpepывныx, имеют четкие границы и могут быть легко определены. Математически такие сигналы описываются разрывными функциями времени. Это, например, телеграфные сигналы и сигналы передачи данных.

Одним из основных параметров сигнала является его длитель­ность, определяющая интервал существования. Внутри интервала существования сигнал характеризуется динамическим диапазоном и скоростью изменения сигнала. Динамический диапазон опреде­ляется отношением наибольшей мгновенной мощности сигнала к наименьшей. Логарифм этого отношения называется защищенностью, или превышением сигнала над помехой и будет рассмо­трен во второй главе. Для многих сигналов можно указать диа­пазон частот, в пределах которого сосредоточена его основная энергия. Диапазоном частот определяется ширина спектра сигнала.

Аналитический сигнал можно представить функцией , оп­ределяющей его мгновенные знaчeния, или функциейчастоты, определяющей его спектральные составляющие. Эти функ­ции связаны преобразованиями Фурье:

(2.1)

(2.2)

Функция (2.1), определяемая прямым преобразованием Фурье, является комплексной величиной и называется комплексной спект­ральной плотностью, или спектром сигнала. Из выражений (2.1) и (2.2) можно определить длительность и ширину спектра сигна­ла. Если функции, описывающие сигналы, не имеют четких спектральных и временных границ, то в таких случаях ширину спектра и длительность сигнала условно определяют соответственно как полосу частот и интервал времени, в которых сосредоточена задан­ная доля сигнала.

Так как аппаратура и линия связи имеют ограниченную полосу пропускаемых частот, на практике часто ограничивают спектр сигнала, учитывая его допустимые искажения. Как правило, при­нято отбрасывать высшие спектральные составляющие, энергия которых не превышает 5—10 % энергии сигнала.

Для проектирования систем передачи информации очень важными характеристиками сигнала являются его мощность и энергия. Среднюю мощность сигнала, выделяемую на нагрузке сопро­тивлением 1 Ом за интервал времени , определяют выражением

(2.3)

Величина является мгновенной мощностью сигнала. Энергия сигнала, выделяемая в том же сопротивлении и за тот же период времени,

(2.4)

Если сигнал представлен спектральной функцией (2.1) или (2.2), энергия сигнала определяется как функция частоты

(2.5)

где

Величина комплексно сопряжена с , следовательно, из выражения (2.5) получаем

(2.6)

так как произведение двух сопряженных комплексных функций равно квадрату модуля.

В технике связи используются непрерывные (телефонные, зву­кового вещания, факсимильные, телевизионные, видеофонные) и дискретные (телеграфные, передачи данных, телемеханики) сиг­налы.

Телефонные (речевые) сигналы образуются в результате пре­образования звуковых речевых сигналов в электрические. Челове­ческая речь представляет собой широкополосный процесс с частот­ным спектром от 50—80 до 8000—10000 Гц. Такой широкий спектр речевых сигналов объясняется тем, что нижняя граница частоты импульсов основного тона речи лежит в пределах от 50—80 Гц (бас) до 200—250 Гц (колоратурное сопрано), а большое число гармоник импульсов основного тона (до 40) требует для более полного восприятия оттенков человеческого голоса передачи спект­ра частот до 8000—10 000 Гц. Динамический диапазон речевого сигнала составляет 35—40 дБ.

Для качественной передачи телефонных сигналов требуется обеспечить достаточный для восприятия уровень громкости, раз­борчивость, тембр голоса. Установлено, что вполне удовлетвори­тельное качество воспроизведения речи можно обеспечить и при передаче ограниченного спектра речевых сигналов (300—3400 Гц). Телефонный канал с такой шириной пропускания принят Между­народным консультативным комитетом по телеграфии и телефо­нии (МККТТ) в качестве стандартного канала тональной частоты. При передаче речевых сигналов, ограниченных данной полосой частот, слоговая разборчивость составляет около 90%, разборчи­вость фраз — 99% и сохраняются основные составляющие тембра голоса. Первичными звуковыми источниками вещательной переда­чи являются музыкальные инструменты и голос человека. Элект­рические сигналы звукового вещания имеют динамический диапа­зон в пределах от 25 дБ (речь диктора) до 65 дБ (симфониче­ский оркестр).

Частотный спектр сигналов звукового вещания (ЗВ) достаточ­но широкий и лежит в пределах от 15 до 20 000 Гц. В зависимости от требований к качеству воспроизведения полосу частот, отводи­мую для передачи сигналов вещания, ограничивают. Каналы ЗВ имеют полосу пропускания от нескольких десятков герц до 6— 15 кГц. Например, для каналов ЗВ высшего класса, используемых для звукового сопровождения телевизионных передач, отводится полоса 0,03—15 кГц, а для каналов первого класса — 0,05—10 кГц. Факсимильные сигналы получают в результате преобразования светового потока, отражаемого элементарными площадками непо­движного изображения, в электрические сигналы. Частотный спектр первичного факсимильного сигнала зависит от характера передаваемого изображения, скорости развертки и размеров светового анализирующего луча. Энергетический спектр факсимильного сигнала содержит частоты от 0 до с динамическим диапазоном около 25 дБ.

Наивысшая частота изображения может достигать не­скольких сот килогерц. Так, при использовании аппаратуры «Газета-2», предназначенной для передачи газетных полос,со­ставляет 180 кГц, а время передачи полосы — 2,3—3,5 мин. Для низкоскоростных систем факсимильной связиво много раз меньше и время передачи одного изображения (оригинала) составляет 10—15 мин.

Телевизионные сигналы формируются так же, как и факси­мильные, методом развертки и представляют собой преобразован­ный в электрические сигналы световой поток, отражаемый элемен­тарными площадками движущегося изображения. Спектр телеви­зионных (ТВ) сигналов зависит от числа строк в одном кадре и числа кадров (мгновенных фотографий изображения), переда­ваемых за 1с. Наивысшая частота эффективной части спектра телевизионного видеосигнала составляет 6,0 МГц, динамический диапазон — до 40 дБ.

Полоса частот, отводимая для передачи телевизионных сигна­лов, зависит от качества воспроизведения передаваемого изобра­жения. Для передачи телевизионных сигналов, как правило, отво­дится полоса 0—6,0 МГц. Однако основная мощность сигнала ТВ сосредоточена в области спектра до 200—300 кГц, поэтому для видеофонной связи ограничивают полосу до 300—600 кГц.

Телеграфные сигналы, сигналы передачи данных и телемехани­ки (телеуправления) представляют собой дискретные сигналы и различаются между собой лишь длительностью. Они обычно имеют вид последовательностей однополярных или двухполярных прямо­угольных импульсов, длительность которых определяется скоро­стью передачи. Скорость передачи телеграфных сигналов и сигна­лов телемеханики составляет 50—200 бод, сигналов передачи данных — от нескольких десятков бит за секунду до нескольких мегабит за секунду. В связи с этим различна и полоса частот, отводимая для организации телеграфных каналов, каналов телемехани­ки и передачи данных. Для телеграфных каналов и каналов теле­механики используются каналы с полосой до 500 Гц, а для кана­лов передачи данных — до нескольких десятков мегагерц.