lecsist1_1

РОЗДІЛ 1. Загальні відомості про системи передачі інформації.

1.1. ЗАГАЛЬНА СТРУКТУРА СИСТЕМИ ПЕРЕДАЧІ ІНФОРМАЦІЇ

Інформація – це сукупність відомостей про якусь подію, об„єкт. Для зберігання, обробки та перетворення інформації використовують умовні символи (букви, математичні знаки, рисунки і т.д.

Інформація, яка представлена у певному вигляді, яка призначена для передачі, називається повідомленням. У склад повідомлення може входити додаткова інформація, яка служить для виявлення помилок, які виникають при передачі повідомлення, тобто для підвищення вірогідності отриманої інформації. Деякі повідомлення є функціями часу (мова, температура, тиск), інші - ні (текст телеграми). Природа повідомлення можу бути як електричною, так і неелектричною. Повідомлення можуть бути безперервними (аналоговими) та дискретними.

Безперервним називають повідомлення, яке описуються безперервною функцією часу. Приклад - передача мови по телефону, програма мовлення.

Дискретне повідомлення – це послідовність окремих елементів. Фізична природа елементів може бути будь-якою. Наприклад, при передачі телеграми елементами повідомлення є літери.

Схема передачі повідомлення:

Рис. 1.1

Джерело формує повідомлення a(t) - аналогове або дискретне. Для передачі повідомлення засобами електрозв‟язку необхідно за допомогою спеціального пристрою перетворити його в електричний сигнал s(t). При передачі мови таке перетворення виконує мікрофон, при передачі зображення - електронно променева трубка. Сигнал, отриманий після перетворення, називається первинним сиг-

налом.

Будь-який сигнал є функцією часу. Перенос сигналу з однієї точки простору в іншу здійснює система передачі (система електрозв‟язку). Системою зв’язку називають функціонально об‟єднану сукупність пристроїв та ланок, за допомогою якої можна передавати повідомлення із одного пункту в інший. Доставлений в пункт прийому сигнал повинен бути знов перетворений у повідомлення (наприклад, за допомогою гучномовця при передачі мови) і потім переданий одержувачу.

Передача інформації завжди супроводжується дією завад та спотворень. Це

~

призводить до того, що сигнал на виході системи передачі s (t) і отримане пові-

~

домлення a(t) можуть в деякій мірі відрізнятися від сигналу на вході s(t) і переда-

ного повідомлення a(t). Ступінь відповідності прийнятого повідомлення переданому називають надійністю передачі інформації.

2

Розрізняють чотири види сигналів: безперервний безперервного часу, безперервний дискретного часу, дискретний безперервного часу, дискретний дискретного часу.

Безперервні сигнали безперервного часу називаються аналоговими сигналами. Вони змінюються в довільні моменти, приймаючи будь-які значення із безперервної множинності можливих значень (рис. 1.2)

Безперервні сигнали дискретного часу можуть приймати довільні значення, але змінюються тільки у визначені, наперед задані моменти t1, t2, t3,…(рис. 1.3).

Дискретні сигнали безперервного часу змінюються в довільні моменти, але їх величини приймають тільки конкретні дискретні значення.

Дискретні сигнали дискретного часу в дискретні моменти можуть приймати тільки конкретні дозволені значення (рис. 1.4).

Сигнали двох останніх видів називають квантованими за рівнем. Передавати за допомогою системи електрозв‟язку дискретні сигнали рис.1.4

немає необхідності. Достатньо позначити цифрами усі дозволені рівні і передавати дискретні сигнали, які відповідають цим цифрам. Сформовані таким чином дискретні сигнали називають цифровими, а операцію встановлення відповідності між цифрами і значеннями дискретних сигналів - кодуванням.

Всі сигнали (безперервні і дискретні) можуть бути поділені на періодичні і неперіодичні. Періодичний - сигнал, значення якого повторюється через певні рівні проміжки часу, які називаються періодом повторення. Для неперіодичного сигналу ця умова не виконується.

Сигнали електрозв‟язку, які використовують для передачі інформації, є неперіодичними. Періодичні сигнали для цього використовуватися не можуть, оскільки якщо сигнал періодичний, то інформація, яка заключена в одному періоді, повторюється.

1.2ХАРАКТЕРИСТИКИ СИГНАЛІВ.

1.Ширина спектра.

Теоретично всі сигнали електрозв‟язку мають нескінченно широкий спектр частот, і щоби форма сигналу в пункті прийому точно співпадала з формою сигналу в пункті передачі, необхідно за допомогою системи електрозв‟язку передавати весь цей нескінченно широкий спектр. Однак зробити це у реальних умовах неможливо, і в цьому немає практичної необхідності. Спектральна щільність сигналів розподілена по шкалі частот нерівномірно. Тому на практиці спектр сигналу обмежують до такого ступеня, при якому ще можливе відновлення вихідного повідомлення в пункті приймання. Наприклад, при телефонному зв‟язку потрібно

3

виконати дві умови - розбірливість мови і пізнавання абонентів. При передачі телевізійного зображення необхідно зберегти чіткість зображення.

Для різних сигналів необхідна різна ширина спектру, тобто та частина спектру, яку необхідно передавати по системі електрозв‟язку для упевненого відновлення сигналу на прийманні.

2. Рівні сигналів

Для порівняння потужностей сигналів, які передаються по системі електрозв‟язку, часто користуються логарифмічними одиницями - децибелами. Якщо відомі дві потужності: Р1 та Р2, то їх відношення, виражене в белах, визначається за формулою:

р = lg (Р2/ Р1)

Фізична природа потужностей, які порівнюються, не оговорюється і може бути будь-якою - електричною, акустичною та ін.

Для практики користуються більш маленькою одиницею - децибел (дБ):

р = 10 lg (Р2/ Р1).

На практиці буває більш зручно вимірювати не потужність, яка виділяється

на навантаженні, а падіння напруги на ній або струм., який протікає через неї:

Р = U2/R = I2R

= 20 lg (U2/U1) - 10 lg (R2/R1) = = 20 lg (I2/I1) + 10 lg (R2/R1)

За умов рівності опорів R2 =R1, на яких вимірюються потужності Р1 і Р2, формула спрощується:

р = 20 lg (U2/U1) = 20 lg (I2/I1)

Якщо в якості умовного рівня порівняння задається який-небудь незмінна потужність Р0, то іншої потужності Р, яка порівнюється з нею буде відповідати певна кількість децибел:

р = 10 lg (Р/ Р0)

Частіше всього за нульовий рівень вибирається потужність, яка дорівнює 1 мВт, що розсіюється на опорі 600 Ом. Децибели, визначені відносно цього рівня, називаються децибел - міліватом та позначають:

дБм (dBm).

3. Динамічний діапазон

Миттєва потужність сигналів може приймати різні значення в широких межах. Для того, щоб охарактеризувати ці межі, вводять поняття динамічного діапазону та пік-фактору.

Динамічний діапазон сигналу, дБ, визначається виразом:

Dс = 10 lg (Рmax/ Рmin)

Рmax, Рmin - максимальне та мінімальне значення миттєвої потужності.

Під Рmax звичайно розуміють значення миттєвої потужності сигналу, вірогідність перевищення якої достатньо мала (наприклад, дорівнює 0,01). Про величину цієї вірогідності зумовлюються для кожного конкретного сигналу.

4

Пік-фактором сигналу називають відношення його максимальної потужності до середньої:

Q= 10 lg (Pmax/ Pср.)

4.Інформаційна ємність сигналів.

Інформаційна ємність сигналу це кількість інформації, яка переноситься сигналом за одиницю часу. Вимірюється інформаційна ємність в біт/c.

Для неперервного ( аналового ) сигналу інформаційна ємність визначається за формулою:

I=ΔFc log2(1+Pср/Pп)

де Fc – ширина спектру сигнала; Pср – середня потужність сигналу; Pп – потужність завади.

Сигнали, отриманні безпосередньо після перетворення із повідомлення ма-

ють назву первинних сигналів.

Розглянемо декілька видів первинних сигналів Сигнали телефонної мережі (мовні сигнали). Частота імпульсів основного

тону мови лежить у межах от 50...80 Гц (низький голос - бас) до 200...250 Гц (жіночий і дитячий голос). Імпульси основного тону вміщують більше 40 гармонік, амплітуда яких зменшується з ростом частоти. Вивчення енергетичного спектру мови показує, що мова являє собою широкосмуговій процес, частотний спектр якого знаходиться у межах від 50...100 Гц до 8000...10000 Гц. Встановлено, однак, що якість мови залишається цілком задовільною при обмеженні спектру частотами 300 і 3400 Гц. Ці частоти прийняті Міжнародним Консультативним Комітетом по телеграфії і телефонії (МККТТ) в якості меж ефективного спектру мови. При вказаній смузі частот зберігається добра чіткість (розбірливість) мови і задовольняється природність її звучання.

Динамічний діапазон мовного сигналу Dc = 40 дБ, пік-фактор Q = 18,5 дБ. Сигнали звукового мовлення. Джерелом звуку є музикальні інструменти

або голос людини. Спектр звукового сигналу займає смугу частот 20... 20000 Гц. Однак в залежності від вимог до якості відтворення ширина спектру сигналу мовлення може бути обмеженою. Для достатньо високої якості (канали першого класу) Fc складає 50...10000 Гц, для бездоганного відтворення (канали вищого кла-

су) - 30...15000 Гц.

Динамічний діапазон для голосу диктора Dс = 25...35 дБ, для симфонічного оркестру - до 65 дБ.

Телевізійні сигнали. Передача зображень, що рухаються, зводиться до послідовної передачі “фотографій – кадрів”. За секунду передається 25 кадрів. Кожний кадр у відповідності з прийнятим на Україні стандартом складається із 625 строк. Таким чином за секунду передається 625х25 = 15625 строк. Час передачі однієї строки 64 мкс.

Спектр телевізійного сигналу займає смугу 50 Гц... 6 МГц, динамічний діапазон Dс = 40 дБ, пік-фактор Q = 4,8 дБ

Всі вищезгадані сигнали є безперервними (аналоговими). Сигнали телеграфії і сигнали передачі даних є дискретними. ( Передача даних - область елект-

6

Щоби передати сигнал у системі електрозв‟язку, необхідно скористатися будь-яким переносником. В якості переносника може виступати електромагнітне поле в дротах (проводовий зв‟язок), у відкритому просторі (радіо зв‟язок), світовий промінь (оптичний зв‟язок).

Для різних видів зв‟язку використовуються різні частоти (рис. 1.5).

У пункті передачі первинний сигнал s(t) необхідно перетворити у сигнал v(t), який зручний для його передачі по відповідному середовищі розповсюдження, але в той же час наділений ознаками первинного сигналу. У пункті прийому виконується зворотне перетворення (рис. 1.6).

Рис. 1.6

В окремих випадках, наприклад в телефонній мережі, вказане перетворення може бути відсутнім.

Звичайно в якості переносника використовують гармонійне коливання високої частоти – несуче коливання.

Процес перетворення первинного сигналу полягає у зміні одного чи декількох параметрів несучого коливання за законом зміни первинного сигналу і нази-

вається модуляцією.

Запишемо несуще коливання у вигляді:

v(t) = V cos( t + )

Це коливання характеризується трьома параметрами: амплитудою V, частотою та початковою фазою . Модуляцію можна здійснювати зміною будь-якого з трьох параметрів за законом передаваємого сигналу.

Змінена у часі амплітуди несучого коливання називається амплітудною модуляцією:

V(t) = V + KАМ s(t)

KАМ - коефіцієнт пропорційності.

v(t) = (V + KАМ s(t) ) cos ( t + )

Якщо первинний сигнал s(t) гармонічне коливання з більш низькою часто-

тою:

s(t) = S cos t ( = 0) то v(t)= (V + KАМ S cos t ) cos t =

=V (1 cos t) cos ωt

Параметр KАМS/V=MАМ називають глибиною амплітудної модуляції.

Спектр амплітудно-модульованого коливання при гармонійному сигналі s(t) складається з частоти несучого коливання і двох бокових частот, симетричних відносно несучої, з однаковими амплітудами (рис. 1.7).

v(t) = V cos t + MАМ V/2 cos ( + )t + MАМ V/2 cos ( - )t

7

s( )

v( )

Якщо первинний сигнал складний і його спектр обмежений частотами minmax то спектр АМ коливання буде складатися із несучого коливання та двох бокових смуг, симетричних відносно несучої (рис. 1.8).

Рис. 1.8

Якщо змінювати частоту несучого коливання

(t) = 0 + KЧМ s(t) = 0 + соs t ,

то такий вид модуляції має назву частотна модуляція.

= KЧМ S – девіація частоти.

При зміні фази несучого коливання отримаємо фазову модуляцію:

(t) = 0 + KФМ s(t) = 0 + соs t ,

де = KФМ S – індекс фазової модуляції.

Частотну та фазову модуляцію називають кутовою модуляцією.

Спектр модульованої несучої при кутовій модуляції навіть при гармонічному сигналі s(t) складається із нескінченного числа дискретних складових (гармонік), симетричних відносно несущої частоти. Амплітуди цих гармонік визначаються індексом модуляції. Чим більше індексом модуляції, тим ширше спектр модульованого коливання.

В пункті прийому необхідно добути первинний сигнал із переносника, тобто здійснити демодуляцію прийнятого сигналу. Наприклад, при демодуляції АМ сигналу необхідно виділити закон зміни амплітуди модулювання несучого сигналу, тобто його обвідну. Ця операція виконується за допомогою амплітудного детектору. Аналогічно виділення частоти чи фази УМ або ФМ сигналів здійснюється частотними або фазовими детекторами.

Усі пристрої для модуляції і демодуляції сигналів будуть розглядатися далі при вивченні конкретних систем передачі.

8

1.4. ЛІНІЇ ПЕРЕДАЧІ

Складовою частиною СП є лінія передачі, по якій поширюються ЕМ сигнали. В залежності від конкретних умов, в яких організується зв‟язок, для передачі сигналів використовуються проводові лінії або радіолінії.

По проводовим лініям електромагнітне поле розповсюджується повздовж безперервного направляючого середовища. До проводових відносяться повітряні та кабельні лінії, хвилеводи, світловоди. По радіолінії сигнал передається шляхом розповсюдження електромагнітних хвиль у вільному просторі.

Історично першими виникли повітряні лінії. Повітряна лінія являє собою пару ізольованих металевих дротів, закріплених на деякій відстані один від другого, в результаті чого роль ізолятора між дротами виконує повітря. Підвішують дроти на дерев‟яних чи залізобетонних опорах. Недоліком повітряних ліній є значний вплив кліматичних умов на стійкість роботи системи зв‟язку, високий рівень завад, малий діапазон частот.

Кабель зв’язоку це деяка кількість провідників, ізольованих один від другого. Пара провідників утворює електричне коло, по якому передається сигнал. Кабелі розподіляються на підземні, підводні і підвісні. Перехід від повітряної лінії до кабельнї дозволив суттєво зменшити вплив кліматичних умов на роботу систем зв‟язку, знизити рівень завад, розширити робочий діапазон частот.

Хвилевід являє собою звичайно металеву трубу, внутрішня поверхня якої покрита струмопровідним шаром і захисною діелектричною плівкою. Електромагнітна енергія поширюється поздовж порожнини такої труби. Хвилевідна лінія передачі дозволяє передавати сигнали в дуже широкій смузі частот (35...40 ГГц). Ця смуга у сотні разів перевищує смугу частот, в якій можна передавати сигнали по кабельній лінії передачі.

В оптичному кабелі зв’язку сигнал передається по світловодним жилам (волокнам), захищеним від безпосереднього контакту із зовнішнім середовищем і механічної деформації. При передачі сигналів по ВОЛС необхідно перетворити електричний сигнал на світловий промінь та при цьому зберегти інформацію, яка міститься у сигналі. З цією метою використовують оптичний модулятор, світовий промінь на виході якого виявляється промодульованим прикладеним сигналом. При прийманні світовий сигнал перетворюється в електричний за допомогою фотодетектора. Оптичні кабелі мають ряд переваг: ідеальна ізоляція лінії, малі габарити, можливість передавати сигнал в смузі частот, які у сотні разів перевищують смугу частот електричних кабелів.

Радіорелейна лінія (РРЛ) відноситься до радіоліній. Вона містить декілька прийомопередавальних радіостанцій, які розміщуються на відстані прямої видимості між антенами. На кінцевій передавальній станції відбувається перетворення електричного сигналу в радіохвилі, сконцентровані у вигляді променів, котрі випромінюються антеною. На кінцевій прийомній станції виконується зворотне пе-

ретворення. Звичайно РРЛ працюють в діапазоні сантиметрових довжин хвиль

(~109 Гц).

Різновидом радіорелейних ліній є супутникові лінії передачі, в яких роль ретрансляторів виконують не наземні станції, а супутник зв‟язку. На Землі будуються кінцеві станції з параболічними антенами і пристроєм наведення. СС до-

9

зволяють організувати зв‟язок з важкодоступними районами, до яких прокладати наземні лінії складно і дорого.

1.5. КЛАСИФІКАЦІЯ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧІ

СПІ характеризуються великим різновидом областей застосування, принципів та методів побудови, видів повідомлень, що передаються та ін. У зв‟язку з цим, вони можуть бути класифіковані за різними ознаками. Звичайно враховуються:

1) область застосування (телефонія, телеграфія, управління, телебачення та

ін.);

2) форма подання повідомлень, що передаються (дискретна чи безперерв-

на);

3)діапазон робочих частот і ширина смуги частот, яку займає система;

4)вид служби зв‟язку (стаціонарні чи пересувні лінії зв‟язку, відомчий зв‟язок та ін.);

5)принцип ущільнення - розділення каналів при багатоканальній передачі.

Незалежно від наведеної класифікації, всі системи передачі інформації зручно розподілити на 2 групи:

1.Системи з вільним розповсюдженням сигналів між передавачем та приймачем (радіосигнали, акустична система). Особливістю таких систем є розсіювання енергії розповсюдження в середовищі пропорційно квадрату відстані зв‟язку.

2.Системи з керованим розповсюдженням сигналів ( повітряні, кабельні, хвилеводні, світловодні системи). Особливість таких систем – примусова каналізація сигналів в заданому напрямку за допомогою направляючих пристроїв (кабелів, хвилеводів і т.ін.). Енергія у таких системах практично не розсіюється, а лише поглинається (вгамовується).

У системах з керованим розповсюдженням сигналів можна забезпечити високу стабільність параметрів і отож передавати інформацію з високою вірогідністю. Однак, ці системи зв‟язку дорогі і їх застосування в ряді випадків економічно недоцільно.

Системи зв‟язку з вільним розповсюдженням сигналів більш підвладні дії різних зовнішніх факторів. Однак такі системи економічні і гнучкі з точки зору організації зв‟язку між різними пунктами.

1.6. ПОКАЗНИКИ ЯКОСТІ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧІ

Будь-які СПІ характеризуються рядом показників, які можна розподілити на інформаційно-технічні (вірогідність, стійкість до завад, швидкість передачі та ін.) і конструктивно-експлуатаційні (об‟єм і маса апаратури, мобільність, експлуатаційна надійність, вартість).

Вірогідність передачі інформації характеризує ступінь відповідності прийнятих повідомлень переданим. Вона залежить від параметрів самої системи та умов роботи. Умови роботи визначаються типом і станом лінії зв‟язку, видом та інтенсивністю завад та ін.

10

При передачі безперервних повідомлень різниця між переданим a(t) і при-

йнятим â(t) повідомленням визначається величиною випадкової помилки:

(t) = ~ - a(t) a(t)

Для оцінки вірогідності передачі повідомлень звичайно використовують середній квадрат помилки:

c

Tc – тривалість повідомлення

Усереднення робиться по всім реалізаціям повідомлень.

Стійкість до завад (завадостійкість) СПІ - це здібність системи протисто-

яти шкідливій дії завад на передачу повідомлень. Вона залежить від способів кодування, модуляції, методу прийому і т.д. Кількісно її можна характеризувати імовірністю помилки Рпом при заданому відношенні середніх потужностей сигналу і завади в смузі частот, яку займає сигнал.

Швидкість передавання визначається кількістю інформації, яка надійшла від відправника до одержувача в одиницю часу. Кількість інформації вимірюють у двійкових одиницях (бітах). Швидкість передавання визначається кількістю біт за секунду.

При передачі дискретної інформації використовують поняття технічна

швидкість передавання:

Rt = 1/ 0

де 0 - тривалість передачі однієї елементарної посилки.

Гранична можлива швидкість передавання інформації по каналу оцінюється

пропускною здатністю каналу.