dsd11-12 / dsd-11=ТКС / lections / 01

1. Телекоммуникационные системы

1.1. Классификация сигналов и телекоммуникационных систем

Получение информации с использованием систем связи (телекоммуникационных систем) связано с передачей сигналов. Применительно к сигналам можно говорить об их классификации.

1. По способу представления сигналы можно описывать с помощью формульной одномерной модели (например: U(t)=U₀cos(t)) или с помощью многомерной векторной модели (например: система напряжений на клеммах многополюсника U(t)={U₁(t), U₂(t)… U_n(t)}).

2. По возможности точного предсказания в любой момент времени электрические сигналы можно разделить на детерменированные (определенные) и случайные. Детерменированные сигналы можно точно определить в любой момент времени и следовательно их можно задать формулой, алгоритмом или таблицей. Случайные сигналы не могут быть точно описаны в любой момент времени. К ним относятся помехи и шумы. Такие сигналы описываются с помощью математического аппарата теории вероятности.

2.1. В рамках детерминированных сигналов вводят понятие импульсных сигналов или импульсов, – т.е. колебаний, которые существуют в пределах конечного отрезка времени.

Различают видеоимпульсы и радиоимпульсы. Примеры видео и радиоимпульсов показаны на рис.1.1. Если U₀(t) – видеоимпульс, то соответствующий ему радиоимпульс имеет вид: U(t)= U₀(t)cos(t+), где  и  произвольны.

2.2. По способу представления в детерминированном виде различают сигналы аналоговые, дискретные и цифровые. Аналоговый сигнал можно представить в виде непрерывной функции. Дискретный сигнал отличается от аналогового тем, что является частью (счетным множеством) аналогового сигнала. Примеры аналогового и дискретного сигналов показаны на рис. 1.2.

Квантование, т.е. дискретизация аналоговых сигналов реализуется электронными устройствами по времени при переменной амплитуде и по амплитуде при переменной длительности рис.1.3.

Таким образом, любая телекоммуникационная система обрабатывает цифровые, аналоговые, смешанные (цифровые и аналоговые) или дискретные сигналы.

Всякая телекоммуникационная система содержит приемник, передатчик и устройства обработки сигнала рис.1.4.

Рис.1.5 Аналоговый приемно-передающий блок.

Р ис.1.6. Цифровой приемно-передающий блок.

Р ис.1.7. Аналого-цифровой приемно-передающий блок.

Рис.1.8. Цифро-аналоговой приемно-передающий блок.

В зависимости от вида принимаемых или передаваемых сигналов телекоммуникационная система может быть аналоговой, цифровой или смешанной (цифро-аналоговой или аналого-цифровой). Приемнo-передающий блок аналоговой системы состоит из аналоговых приемного и передающего модулей и показан на рис.1.5. Он содержит различные усилители (усилитель высокой частоты (УВЧ), усилитель промежуточной частоты (УПЧ), генераторы (кварцевые генераторы, генераторы управляемые напряжением (ГУН) или током (ГУТ)), смесители или аналоговые умножители, модуляторы, схемы с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), согласующие устройства, фильтры.

В цифровой приемно-передающий блок (рис.1.6), у которого входная и выходная информация являются цифровыми, входят цифровые усилители, мультеплексоры (МИХ) и демультеплексоры (ДМИХ), цифровые фильтры.

На рис.1.7 и 1.8 приведены аналого-цифровой и цифро-аналоговой приемно-передающий блок, в состав которых входят ЦАП, АЦП и устройства выборки и хранения.

Независимо от способов реализации в любом приемопередатчике можно выделить приемную и передающую части. Приемная часть, как правило, разделяется на радиочастотную секцию и секцию промежуточной частоты. В радиочастотную секцию обычно входят малошумящий усилитель, на который поступает сигнал с линии, радиочастотные фильтры и смеситель, управляемый ГУНом и формирующий промежуточную частоту. В секцию промежуточной частоты входят фильтры промежуточной частоты, усилители промежуточной частоты, иногда используются смесители для получения более низких частот.

Аналогичные секции можно выделить в передающей части. В секцию промежуточной частоты, как правило, входят фильтры и смеситель, преобразующий промежуточную частоту в радиочастоту. В радиочастотную секцию входят радиочастотные фильтры и усилитель мощности, передающий усиленный по мощности сигнал в линию.

Приемник и передатчик могут быть выполнен в различных микросхемах и коммутироваться на одной печатной плате, что не применимо в портативных средствах обмена информацией. Но такая конструкция обладает повышенной надежностью. Также приемник и передатчик могут быть выполнены в одном кристалле. Такая конструкция используется в портативных средствах обмена информацией, таких как сотовые телефоны, средства дистанционного управления автосигнализациями, электронные замки и т.д.

В радиочастотных приемопередатчиках существует проблема коммутации с антенной. Можно реализовать конструкцию, в которой прием и передача сигнала происходят через две разные антенны. В этом случае исключается взаимное влияние входной и выходной частей приемопередатчика, что позволяет использовать классические методы согласования блоков приемопередатчика с антенной. Кроме того, такая конструкция позволяет обеспечить одновременный прием или передачу по нескольким каналам Второй способ, это подсоединение приемной и передающей части приемопередатчика к одной антенне через радиочастотный ключ, выполненн отдельно или интегрированный в одном кристалле с примопередатчиком. Однако такой ключ должен обладать сравнительно низкой проходной емкостью и не вносить искажений и шумов в работу общей схемы и обеспечивать хорошую изоляцию между приемной и передющей секциями. И наконец, третий способ, это отключение всех токозадающих цепей в малошумящем усилителе в момент передачи и усилителе мощности в момент приема

1.2. Объем и скорость передачи информации

Для цифровых передающих систем вводят понятие объем информации, определяемое выражением:

(1.1)

или

,

где –объем информации (размерность бит или байт), – вероятность нахождения устройства в j состоянии.

Пример1.1.

Пусть задан двоичный код. Вероятность нахождения устройства в состоянии 0 или 1 равны 50%, следовательно, . Какой объем информации будет передан, если требуется передать 12 разрядное слово?

Используя соотношение (1.1) легко получить:

.

Пример1.2.

Рассчитать объем передаваемой информации, при передаче 12 разрядного слова, если каждый разряд может принимать одно из четырех состояний. В этом случае .

Так же как и в примере 1.1 применив выражение (1.1) имеем:

Для систем не двоичного счисления вводят понятие полного объема информации H:

(1.2)

Для двоичных систем счисления H совпадает с I.

Чтобы характеризовать передачу информации по линии, вводят понятие скорости передачи информации R:

[бит/сек=бот] (1.3)

где H - полный объем информации; T – время, которое требуется для передачи полной посылки. В случае двоичной системы счисления H=I и следовательно .

1.3. Идеальная телекоммуникационная система

Качество любой системы передачи данных можно оценивать по критерию достоверности принимаемой информации. Оптимальную систему связи определяют как систему, вносящую минимальное число ошибок в объем информации. В этом случае информация верна. Возможно ли построение системы связи с отсутствием ошибок? К. Шеннон в 1948 г. показал, что для информации содержащей сигнал и шум (шум подчиняется распределению Гаусса), максимальная скорость передачи информации по каналу можно рассчитать, используя следующее соотношение:

(1.4)

где – полоса пропускания канала [Гц], – отношение сигнала к шуму.

Тогда, если , то вероятность ошибок стремится к нулю.

Пример 1.4.

Предположим, что надо передать 12 разрядное двоичное слово через систему связи с полосой пропускания 1 МГц за 1мс, при условии, что отношение сигнал шум . Возможна ли передача информации без ошибок?

Рассчитаем скорость передачи информации по каналу, используя соотношение (1.4):

[бит/с]

Рассчитаем R из соотношения (1.3):

[бит/с]

Так как , то передача информации возможна без ошибок.

Анализ уравнения (1.4) показывает, что увеличить скорость передачи информации через канал связи возможно путем расширения полосы пропускания системы и увеличением отношения сигнал - шум.