Корольов / Теория связи

ВВЕДЕНИЕ

Теория электрической связи относится к числу фундаментальных дисциплин подготовки инженеров, владеющих современными методами анализа и синтеза систем и устройств связи различного назначения и имеет цель сформировать знания основ теорий передачи и кодирования сообщений, методов передачи и приема дискретных и непрерывных сообщений, цифровых методов передачи сообщений, принципов построения многоканальных систем передачи и методов повышения эффективности систем электросвязи, а также умений использовать методы анализа систем электрической связи для количественной оценки их эффективности.

Предметом изучения дисциплины являются закономерности процессов преобразования и передачи информации в системах электросвязи.

Знания и умения по дисциплине являются составной частью общепрофессиональной подготовки к самостоятельной инженерно-эксплуатационной деятельности.

Дисциплина базируется на предшествующем изучении физики, математики, дискретной математики, теории вероятностей, математической статистики и информатики. В свою очередь «Теория электрической связи» является базовой для дисциплин «Радиопередающие устройства», «Радиоприемные устройства», «Цифровые системы передачи», «Микропроцессоры и цифровая обработка сигналов», «Средства и комплексы радиорелейной, спутниковой и электропроводной связи».

Основы современной теории электрической связи были заложены в фундаментальных работах В.А. Котельникова по теории потенциальной помехоустойчивости (1947 г.) и К. Шеннона по теории информации (1948 г.). Отдельные вопросы теории связи рассматривались в более ранних работах X. Найквиста (1928 г.) и В.А. Котельникова (1933 г.), в которых сформулирована и доказана теорема отсчетов, в работе Р. Хартли (1928 г.), где была введена логарифмическая мера количества информации. В создании и развитии статистической теории связи большую роль сыграли работы А.Я. Хинчина (1938 г.) по корреляционной теории стационарных случайных процессов, А.Н. Колмогорова (1941 г.) и Н. Винера (1947 г.) по интерполированию и экстраполированию стационарных случайных последовательностей, А. Вальда (1950 г.) по теории ста-

12

тистических решений. Дальнейшее развитие теория получила в работах В.И. Сифорова, А.А. Харкевича, Л.М. Финка, Д.Р. Левина, Д.Д. Кловского, Р. Райса, Р. Галлагера, К. Хелстрома, Р. Фано и многих других отечественных и зарубежных ученых.

Классическая теория помехоустойчивости при флуктуационных помехах развита в этих работах для каналов со случайно изменяющимися параметрами и продолжает развиваться в направлении учета реальных характеристик сигналов и помех, в том числе нестационарных. Вопросы синтеза оптимальных приемников непрерывных и импульсных сигналов успешно решаются на основании теории нелинейной фильтрации. Дальнейшим шагом является разработка и применение методов построения адаптивных систем, позволяющих обеспечить высокую достоверность передачи сообщений в каналах с переменными параметрами при неполной априорной информации о сигналах и помехах.

Современная теория связи позволяет достаточно полно оценить различные системы по их помехоустойчивости и эффективности и тем самым определить, какие из них являются наиболее перспективными. Она достаточно четко указывает не только возможности совершенствования существующих систем связи, но и пути создания новых, более совершенных систем.

В настоящее время речь идет о создании систем, в которых достигаются показатели эффективности, близкие к предельным. Одновременное требование высоких скоростей и верности передачи приводит к необходимости применения систем, в которых используются многопозиционные сигналы и мощные корректирующие коды. Наиболее совершенная система связи должна быть саморегулирующей (адаптивной) системой.

Однако не следует думать, что во всех случаях необходимо стремиться к созданию сложных систем, отбрасывая простые как менее совершенные. Разработка наиболее совершенных систем передачи информации всегда должна базироваться на технико-экономическом расчете. Сложность систем не должна превосходить определенного экономически обоснованного уровня. По этой причине не следует чрезмерно усложнять системы в погоне за их максимальным совершенством. В ряде случаев более простые системы могут иметь необходимую степень совершенства, а экономически быть более целесообразными.

13

ГЛАВА 1. СООБЩЕНИЯ, СИГНАЛЫ И ПОМЕХИ, ИХ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

1.1. Основные понятия и определения 1.1.1. Сообщение, сигнал, модуляция

Информацией называется совокупность сведений о каких-либо событиях, явлениях или предметах [6, 13, 21, 39].

Сообщение – форма представления информации, предназначенная для передачи от источника к получателю в виде текста, звука, изображения и т.д.

Например, при телеграфной передаче сообщением является текст телеграммы в виде букв или цифр. При разговоре по телефону – непрерывное изменение во времени звукового давления. В телевизионных системах сообщение представляет собой изменение во времени яркости элементов изображения.

Для передачи сообщений от источника к получателю с помощью электрической связи используют сигналы.

Сигнал это физический процесс, отображающий (несущий) передаваемое сообщение, т.е. это изменяемая физическая величина (ток, напряжение, электромагнитное поле, световые волны и т.д.).

Различают первичные и вторичные сигналы. Первичные электрические сигналы (ПЭС) возникают в результате непосредственного преобразования сообщения в электромагнитное колебание, обычно на выходе оконечных устройств. К ним относятся колебания тока микрофона, тока на выходе телеграфного аппарата и т. п. Характерным для первичных сигналов является относительно малая скорость их изменения и, следовательно, возможность передачи по низкочастотным каналам связи, например таким, как проводные. Так для передачи речи достаточен канал, пропускающий колебания от 300 до 3400 Гц. При телеграфной связи требуется полоса пропускания до нескольких сотен герц.

14

ных модулированных сигналов решает задачи использования физических свойств радиочастот, согласования геометрических размеров антенны с длиной волны колебаний, помехоустойчивости приема, частотного разнесения преобразованных ПЭС.

На (рис.1.1, а, в) показаны образцы первичных и вторичных (рис.1.1, б, г) сигналов при передаче речи (непрерывного сообщения) и телеграммы (дискретного сообщения).

Модуляция – это изменение во времени одного или нескольких параметров высокочастотного электрического колебания в соответствии с законом изменения передаваемого сообщения.

1.1.2. Основные параметры сигналов

Основными параметрами сигналов являются длительность сигнала Tc , динамический диапазон Dc и ширина спектра ∆Fc .

Всякий сигнал, рассматриваемый как временной процесс, имеет начало и конец. Поэтому длительность сигнала Tc является естественным его параметром, определяющим интервал времени, в пределах которого сигнал существует.

Динамический диапазон Dc – это отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала Pc max к той наименьшей мощности Pc min , которая необходима для обеспечения заданного качества передачи. Он выражается в децибелах [дБ]:

Например, в радиовещании динамический диапазон часто сокращают до 30...40 дБ (1000-10000 раз) во избежание перегрузок канала.

Ширина спектра ∆Fc – этот параметр дает представление о скорости изменения сигнала внутри интервала его существования.

Спектр сигнала, в принципе, может быть неограниченным. Однако для любого сигнала можно указать диапазон частот, в пределах которого сосредоточена его основная энергия. Этим диапазоном и определяется ширина спектра сигнала. В технике связи спектр сигнала часто сознательно сокращают. Это обусловлено тем, что аппаратура и линия связи имеют ограниченную полосу пропускаемых частот. Сокращение спектра осуществляется исходя из допустимых искажений сигнала.

Например, ширина спектра телефонного сигнала:

15

∆Fc = fmax − fmin = 3400 −300 = 3100 (Гц), а ширина спектра телевизионного сигнала при стандарте 625 строк составляет около 6 (МГц). Ширина спектра телеграфного сигнала зависит от скорости передачи и обычно принимается равной 1,5 V (Гц), где V – скорость телеграфирования в бодах, т.е. число символов, передаваемых в секунду. Так, при скорости передачи V = 50 Бод ширина спектра телеграфного сигнала ∆Fc = 75 (Гц). Спектр модулированного сигнала (вторичного сигнала) обычно шире спектра передаваемого сообщения (первичного сигнала) и зависит от вида модуляции.

Часто вводят довольно общую и наглядную характеристику – объем сигнала:

Vc =Tc Dc ∆Fc .

Объем сигнала Vc дает общее представление о возможностях данного множества сигналов как переносчиков сообщений. Чем больше объем сигнала, тем больше информации можно вложить в этот объем, но тем труднее передать такой сигнал по каналу связи.

1.2. Системы связи. Каналы связи 1.2.1. Структура канала электросвязи

Из приведенных ранее определений следует, что в любой системе электросвязи должны быть устройства, осуществляющие преобразования: на передаче – информация → сообщение → сигнал, на 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.

Рассмотрим обобщенную структурную схему системы электрической связи (СЭС) (рис.1.2.) [6, 39]. В нее входят следующие элементы.

Источник сообщения это физический объект, который формирует конкретное сообщение x(t) (люди, ЭВМ, датчики). Примеры сообщений: речь, музыка, фотография, текст, рисунок.

Преобразователи сообщения в электрический сигнал (микрофон, датчик) превращают сообщение x(t) в первичный сигнал s(t). Например, преобразование букв текста в стандартные электрические сигналы азбуки Морзе.

Модулятор – осуществляет преобразование первичного сигнала во вторичный сигнал S(t), удобный для передачи в среде распространения в усло-

16

виях действия помех.

Среда распространения служит для передачи электрических сигналов от передатчика к приемнику. Это может быть кабель или волновода, в системах радиосвязи это область пространства в котором распространяются электромагнитные волны от передающей антенны к приемной.

Для каждого типа линии связи имеются сигналы, которые могут быть использованы наиболее эффективно. Например, в проводной линии применяются переменные токи невысоких частот (не более сотен кГц), в радиолинии – электромагнитные колебания высоких частот (от сотен килогерц до десятков тысяч мегагерц), а в волоконно-оптических линиях для передачи информации используют световые волны с частотами 1014…1015 Гц. В среде распространения сигналы обычно значительно ослабляются (затухают) и искажаются под воздействием помех

Под помехой понимается любое воздействие на сигнал, которое ухудшает достоверность воспроизведения передаваемых сообщений. В наиболее простом

ляется первичный электрический сигнал u(t), который из-за действия помех может значительно отличаться от переданного s(t).

Преобразователь необходим для формирования y(t) сообщения из принятого первичного сигнала u(t). Качество СЭС определяется степенью соответствия принятого сообщения y(t) переданному сообщению x(t).

Структурная схема системы электрической связи для передачи дискретных сообщений (рис. 1.3) дополнительно включает в себя кодер (декодер) ис-

17

точника и кодер (декодер) канала.

Кодер источника служит для преобразования сообщений в кодовые символы с целью уменьшения избыточности источника сообщения, т.е. обеспечении минимума среднего числа символов на одно сообщение и представления в удобной форме (например, в виде двоичных чисел).

Кодер канала, предназначен для введения избыточности, позволяющей обнаруживать и исправлять ошибки в канальном декодере, с целью повышения достоверности передачи.

Декодер канала обеспечивает проверку избыточного (помехоустойчивого) кода и преобразование его в последовательность первичного электрического сигнала безызбыточного кода.

Декодер источника (ДИ) – это устройство для преобразования последовательности ПЭС безизбыточного кода в сообщение.

Принято различать две группы относительно самостоятельных устройств: кодеки и модемы. Кодеком называется совокупность кодера и декодера, которые при двухсторонней связи конструктивно объединены в одно устройство. Модемом называется конструктивно совмещенная совокупность модулятора и демодулятора.

Важнейшей частью СЭС является канал связи.

Каналом связи называется совокупность средств, обеспечивающих передачу сигнала от некоторой точки А системы до точки В. Точки А и В могут быть выбраны различным образом в зависимости от решаемой задачи построения модели, проектирования или анализа СЭС. В зависимости от вида входных и выходных символов канал связи может быть непрерывным, дискретным и полунепрерывным. В одной и той же схеме можно выделить как дискретный так и непрерывный канал, в зависимости от выбора рассматриваемых точек.

18

1.2.2. Линия и сеть связи

Линией связи называется физическая среда и совокупность аппаратных средств, используемых для передачи сигналов от передатчика к приемнику. В системах проводной связи это, прежде всего, кабель или волновод, в системах радиосвязи – область пространства, в котором распространяются электромагнитные волны от передатчика к приемнику. При передаче по каналу сигнал S(t), может искажаться и на него могут воздействовать помехи n(t). Приемное устройство обрабатывает принятый сигнал представляющий собой сумму пришедшего искаженного сигнала и помехи n(t), и восстанавливает по нему сообщение y(t), которое с некоторой погрешностью отображает переданное сообщение x(t). Другими словами, приемник должен на основе анализа сигнала U (t) определить, какое из возможных сообщений передавалось. Поэтому приемное устройство является одним из наиболее ответственных и сложных элементов системы электрической связи.

Под системой электрической связи понимают совокупность технических средств и среды распространения. В понятие система связи включаются источник и потребитель сообщений.

По виду передаваемых сообщений различают следующие системы электрической связи: системы передачи речи (телефония); системы передачи текста (телеграфия); системы передачи неподвижных изображений (фототелеграфия); системы передачи подвижных изображений (телевидение), системы телеизмерения, телеуправления и передачи данных. По назначению телефонные и телевизионные системы делят на вещательные, отличающиеся высокой степенью художественности воспроизведения сообщений, и профессиональные, имеющие специальное применение (служебная связь, промышленное телевидение и т.п.). В системе телеизмерения физические величины (температура, давление, скорость и т.п.) с помощью датчиков преобразуются в первичный электрический сигнал, поступающий на передатчик. На приемном конце переданную физическую величину или ее изменения выделяют из сигнала и используют для контроля. В системе телеуправления осуществляется передача команд для автоматического выполнения определенных действий. Нередко эти команды формируют автоматически на основании результатов измерения, переданных телеметрической системой.

Внедрение высокоэффективных ЭВМ привело к необходимости быстрого развития систем передачи данных, обеспечивающих обмен информа-

19

цией между вычислительными средствами и объектами автоматизированных систем управления. Этот вид электросвязи отличается высокими требованиями к скорости и верности передачи информации.

Для обмена сообщениями между многими территориально разнесенными пользователями (абонентами) создаются сети связи, обеспечивающие передачу и распределение сообщений по заданным адресам (в заданное время и с установленным качеством).

Сетью связи называют совокупность линий связи и узлов коммутации. Классификация каналов и линий связи осуществляется:

по характеру сигналов на входе и выходе (непрерывные, дискретные, дискретно-непрерывные);

по виду сообщений (телефонные, телеграфные, передачи данных, телевизионные, факсимильные и др.);

по виду среды распространения (проводные, радио, волоконнооптические и др.);

по диапазону используемых частот (низкочастотные (НЧ), высокочастотные (ВЧ), сверхвысокочастотные (СВЧ) и др.);

по структуре приемо-передающих устройств (одноканальные, многоканальные).

Внастоящее время с целью наиболее полной характеристики каналов

илиний связи могут применяться и другие классификационные признаки (по способу распространения радиоволн, способу объединения и разделения каналов, размещению технических средств, оперативному предназначению

идр.)

1.2.3. Помехи и искажения в канале

При передаче сигнала по линии связи он искажается и воспроизводится с некоторой ошибкой. Причиной таких ошибок являются искажения сигналов в канале связи и помехи, воздействующие на сигнал [5, 21].

Искажения часто обусловлены известными характеристиками линии связи и тогда могут быть устранены путем надлежащей коррекции.

Помехи заранее неизвестны и поэтому не могут быть полностью устранены. Они весьма разнообразны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам. Можно дать следующую классификацию помех по месту их возникновения:

атмосферные помехи; промышленные помехи (индустриальные помехи);

20