- •Глава 1. Основные понятия и определения коммуникационных систем
- •Глава 2. Системы каналообразования
- •Глава 3. Системы проводной связи
- •Глава 4. Борьба с помехами
- •Глава 5. Борьба с замираниями сигналов при одиночном приеме
- •Глава 6. Методы борьбы с замираниями сигналов при разнесенном приеме
- •Глава 7. Системы коротковолновой радиосвязи
- •Глава 8. Системы ультракоротковолновой радиосвязи
- •Глава 9. Системы связи оптического диапазона
- •Глава 1. Основные понятия и определения коммуникационных систем
- •Сообщение, сигнал, канал, система связи
- •1.2. Непрерывные сигналы
- •1.3. Дискретные сигналы
- •1.4. Кодирование сигналов
- •1.5. Модулированные сигналы
- •Амплитудная модуляция
- •Фазовая модуляция
- •Импульсная модуляция
- •Шумоподобные сигналы
- •1.6. Цифровые сигналы
- •1.7. Помехи в каналах связи
- •Глава 2. Системы каналообразования
- •2.1. Классификация многоканальных систем связи
- •2.2.Системы передачи с разделением каналов по частоте (чрк)
- •2.3.Системы передачи с разделением каналов по времени врк
- •2.4.Цифровые многоканальные системы передачи
- •2.5.Асинхронные адресные многоканальные системы связи
- •Глава 3. Системы проводной связи
- •3.2. Обобщенная структурная схема системы проводной связи
- •3.3. Структурная схема системы телефонной связи
- •3.4. Структурная схема системы телеграфной связи
- •3.5 Структурная схема системы передачи данных
- •3.6. Способы передачи дискретных сигналов.
- •Глава 4. Борьба с помехами
- •4.1. Общая характеристика помех в каналах радиосвязи
- •4.2. Характеристика методов борьбы с помехами
- •4.3. Борьба с флуктуационными, сосредоточенными и импульсными помехами.
- •4.3.1 Флуктуационные помехи
- •4.3.2. Сосредоточенные помехи
- •4.3.3. Импульсные помехи
- •4.4. Вопросы для самопроверки
- •4.5. Задачи и указания
- •Глава 5. Борьба с замираниями сигналов при одиночном приеме
- •5.1. Общая характеристика методов борьбы с замираниями сигналов
- •5.2. Методы борьбы с замираниями сигналов при одиночном приёме
- •5.2.1. Антифединговое кодирование
- •3.2.2. Метод компенсации
- •5.2.3. Метод борьбы с эхо-сигналами
- •5.2.4. Использование широкополосных сигналов
- •5.2.5. Метод прерывистой связи
- •5.3. Системы связи с обратным каналом
- •5.4. Вопросы для самопароверки
- •5.5. Задачи и указания
- •Глава 6. Методы борьбы с замираниями сигналов при разнесенном приеме
- •6.1. Характеристика основных методов борьбы с замираниями сигналов при разнесенном приеме
- •6.2. Способы формирования группового сигнала.
- •6.2.1 Автовыбор
- •6.2.2 Линейное сложение сигналов
- •6.2.3 Оптимальное сложение сигналов
- •6.3. Сравнительная оценка способов сложения разнесеных сигналов.
- •6.4. Вопросы для самопроверки.
- •6.5. Задачи и указания
- •Глава 4. Системы коротковолновой радиосвязи
- •4.1. Особенности коротковолновой радиосвязи
- •4.2. Сигналы, используемые в системах коротковолновой радиосвязи
- •Непрерывные сигналы
- •4.3. Принципы построения передающих устройств
- •4.4. Принципы построения приемных устройств
- •Общий тракт приемника
- •Частные тракты приемника
- •4.6. Методы борьбы с мультипликативными помехами Разнесённый прием
- •4.7. Методы борьбы с аддитивными помехами
- •4.8. Особенности коротковолновых антенн
- •Глава 5. Системы ультракоротковолновой радиосвязи
- •5.1. Общие сведения
- •5.2. Маломощные станции ультракоротковолновой радиосвязи.
- •5.3. Системы радиорелейной связи
- •5.4. Системы тропосферной связи.
- •5.5. Системы ионосферной связи.
- •5.6. Системы метеорной связи
- •5.7. Системы спутниковой радиосвязи
- •5.8. Сотовые системы связи
- •Глава 6. Системы связи оптического диапазона
- •6.1.Особенности оптической связи
- •6.2. Оптические квантовые генераторы
- •6.3 Модуляция колебаний оптического диапазона
- •6.4. Система оптической связи
- •6.5. Оптическая связь по световодам
- •6.6. Волноводные линии связи
Глава 1. Основные понятия и определения коммуникационных систем
-
Сообщение, сигнал, канал, система связи
Под связью понимается передача информации от отправителя (источника) к получателю. В дальнейшем будем рассматривать только электросвязь, при которой передача информации осуществляется электрическими сигналами. Слово информация латинское и переводится как "сведения". Применительно к связи под информацией понимают те сведения, которые являются объектом передачи, переработки и хранения. Само понятие информации неотделимо от понятия системы, например, управления или связи» Применительно к таким системам информация есть не что иное, как новые сведения об объекте управления или связи, которые заключены в передаваемом сообщении. Сообщением называют совокупность сведений о состоянии некоторого материального объекта. Для передачи сообщения на расстояние необходимо применить какой-либо физический процесс, в изменений параметров которого было бы заключено сообщение. Преобразованный к такому виду физический процесс называется сигналом, Таким образом, передача сообщений от отправителя (источника) к получателю осуществляется с помощью сигналов, которые являются материальными переносчиками информации в системе связи-
В самом общем случае система связи - это часть системы управления, представляющая собой организационно-техническое объединение сил и средств связи, предназначенная для обмена сообщениями между абонентами. Абонентом может быть человек, автомат, электронно-вычислительная машина и т.п., использующие оконечные абонентские устройства типа телефонных и телеграфных аппаратов, дисплеев, передающих камер в телевидении и др.
Обобщенная структурная схема системы связи (системы передачи) показана на рис. 1.1. Здесь абоненты обозначены как источник и получатель сообщений.
рис.1.1
Процесс передачи сообщения от источника к получателю осуществляется следующим образом. Сообщение поступает от источника в передатчик, в котором осуществляется его преобразование в электрический сигнал, удоб-ный для передачи по линии связи. На другой стороне в приемнике производится обратное преобразование электрического сигнала в исходное сообщение. В идеальном случае так оно и происходит. Однако, реально на передаваемый сигнал в линии связи, да и в самих передатчике и приемнике, действуют сторонние возмущения, которые его искажают. Все эти сторонние возмущения называется помехами. Их условно включают в источник помех.
В связи с действием помех на приемник поступит искаженный сигнал, который после обратного преобразования будет превращен в сообщение. Степень совпадения передаваемого и принятого сообщения будет определяться характером и интенсивностью помех в канале связи.
Каналом связи (каналом передачи) называется совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающая при подключении абонентских оконечных устройств передачу сообщений от источника к получателю. Канал связи в зависимости от вида передаваемых сообщений может называться телефонным, телеграфным, телевизионным и др. В его состав входит линия связи, которая и представляет собой среду распространения сигналов. Это может быть либо проводная линия (пара проводов, кабель, волновод), либо радиолиния. Радиолиния включает в себя средства радиосвязи, а также область пространства, в котором распространяются радиоволны от передатчика к приемнику.
Системой связи (системой передачи) называется совокупность технических средств и среда распространения, обеспечивающая формирование каналов связи и передачу по ним различного рода сообщений между абонентами.
Наиболее дорогостоящей частью системы связи является линия связи, поэтому ее стараются использовать наилучшим образом. Это достигается либо увеличением скорости передачи, либо одновременной передачей по линии нескольких независимых сообщений. В последнем случае система связи называется многоканальной. Такая система требует специальной каналообразующей аппаратуры для формирования, а затем разделения сигналов отдельных сообщений на приемной стороне по некоторым отличительным признакам (частотным, временным и др.).
Любая система связи характеризуется несколькими показателями, главными из которых является пропускная способность, достоверность передачи и помехоустойчивость.
Пропускная способность характеризует максимальную скорость передачи информации, которая может быть достигнута при условии, что канал связи не вносит искажений и ошибок.
Достоверность передачи определяется степенью искажения сигнала, т.е. тем, насколько принятый сигнал соответствует переданному.
Помехоустойчивость характеризует способность системы связи противостоять вредному действию помех при передаче сообщений.
Рассмотрим первоначально обобщенные физические характеристики сигналов, которые являются материальным носителем сообщений. Ранее уже отмечалось, что сообщение - это то, что подлежит передаче. В качестве сообщения может выступать речь, музыка, письменный текст, цифровые данные, телевизионное изображение и т.п. Уже из этого перечня сообщений видно, что одни сообщения являются непрерывными (речь, музыка), а дру-гие - дискретными (текст, цифры). Источником и получателем сообщений могут быть человек, автомат, электронно-вычислительная машина и т.п. Для того, чтобы передать сообщение на расстояние, необходимо преобразовать его в некоторый физический процесс, параметры которого изменялись бы по закону передаваемого сообщения. Таким образом, сигнал есть процесс, отображающий сообщение в форме определенного электрического возмуще-ния. Это позволяет по принятому сигналу восстановить переданное сообщение.
Необходимо четко усвоить, что сигналом является не сам физический процесс, а изменяющиеся его параметры, которые определяются характером самого сообщения. Рассмотрим, каким образом формируется непрерывные и дискретные сигналы.
В качестве непрерывного сообщения может выступать звуковое давление, яркость свечения и т.п., которые изменяют свои значения на определенном интервале времени. Сообщения такого типа преобразуются в оконечных абонентских устройствах в электрический первичный сигнал. Так при формировании речевого сигнала в качестве электроакустического преобразователя используется микрофон, который превращает звуковые колебания речи в низкочастотный непрерывный электрический сигнал (видеосигнал). На небольшие расстояния этот сигнал может передаваться непосредственно по линиям телефонной связи. Однако, если речевой сигнал необходимо передавать на значительные расстояния, то его необходимо преобразовать в высокочастотный сигнал (радиосигнал). В этом случае этот сигнал передается по кабелю или радио. Преобразование непрерывного сообщения A(t) в видеосигнал U(t), а затем в высокочастот-ный сигнал S(t), иллюстрируется рис.1.2,а.
рис.1.2
На приемной стороне производится обратное преобразование сигнала в сообщение, но теперь уже в качестве оконечного абонентского устройства используется телефон или громкоговоритель, превращающий электрические колебания в звуковые,
При передаче дискретных сообщений, которые широко используются в телеграфии и вычислительной технике, в качестве преобразующих оконечных абонентских устройств применяются телеграфный или фототелеграфный аппараты. Сигнал в данном случае представляет собой также дискретную последовательность элементов. Так, если сообщением является текст, состоящий из букв, то сигналы будут представлять собой кодовые комбинации, соответствующие этим буквам. Подобно непрерывным сигналам дискретное сообщение может быть представлено как видео-, так и радиосигналом (рис.1.2,б).Обратное преобразование сигнала в сообщение осуществляется телеграфным аппаратом, который принятую комбинацию сигнала преобразует в отпечатанную на ленте букву.
Необходимо отметить, что не всегда дискретные сообщения преобразуются в дискретные сигналы, а непрерывные сообщения - в непрерывные сигналы. В зависимости от конкретных условий могут применяться любые варианты преобразования сообщений в сигналы.
Передаваемое сообщение лишь тогда несет информацию, когда отражает случайное событие. Поэтому и сигнал, отражающий сообщение, носит случайный характер. Сделанное замечание имеет существенное значение в теории передачи сообщений. Дело в том, что в процессе передачи на сигнал действуют различного рода помехи, которое также носят случайный характер. А раз так, то принятое сообщение не в полной мере будет соответствовать переданному. Степень соответствия принятого сообщения переданному характеризует достоверность передачи. Понятно, что для ее повышения необходимо принимать специальные меры, по возможности исключающие действие помех. Для этого нужно четко знать, какие параметры сигнала являются основными и какой функцией можно описать информационный сигнал, который сам носит случайный характер. Вот почему в теории связи главенствующую роль играют теория случайных процессов и теория вероятностей, базирующиеся на современной высшей математике.
Любой сигнал, представляющий собой изменяющуюся во времени величину, может быть описан некоторой функцией времени. Очень важно при описании сигнала выделить те его показатели, которые являются главными с точки зрения условий его передачи. В теории связи такими главными показателями сигнала приняты следующие его параметры:
- длительность сигнала Тс;
- динамический диапазон сигнала Дс;
- ширина спектра сигнала Fс.
Длительность сигнала Тс определяет интервал времени существования сигнала, а значит, и время занятости канала передачи системы связи.
Динамический диапазон Дс определяется отношением наибольшей мощности сигнала к наименьшей. Он измеряется логарифмической мерой и выражается в децибелах (дБ). Динамический диапазон речи диктора равен около 30 дБ, а оркестра - около 70 дБ.
Наименьшая мощность сигнала Pcmin выбирается такой, чтобы она несколько превышала мощность помех Pп. На практике широко используется такой показатель, как отношение мощностей сигнала и помехи. Логарифм этого отношения называют превышением сигнала над помехой или кратко - отношением сигнал/помеха. Таким образом, динамический диапазон характеризует максимальную мощность сигнала, но не абсолютную, а отнесенную к мощности помехи, т.е. Дс = 10 lg (Pcmax / Pcmin), где Pcmin = Pп. Величина Дс измеряется в децибелах.
Ширина спектра сигнала Fс, характеризует скорость изменения сигнала на интервале его существования. Ширина спектра различных сигналов отличается весьма существенно. Некоторые сигналы имеют бесконечный спектр. На практике ширину спектра любого сигнала ограничивают полосой частот, в которой сосредоточена его основная энергия.
Этот факт является очень важным, поскольку полоса пропускания частот различных каналов связи существенно зависит от типа используемой аппаратуры и линий связи. Поэтому не всякий сигнал можно передавать по любому каналу связи. Следовательно, ограничение спектра сигнала технически выгодно.
Главным критерием при ограничении ширины спектра являются допустимые искажения сигнала. Покажем это на примере речевого сигнала. Из акустики известно, что спектр речи занимает полосу от нескольких десятков герц до 16 кГц. Основная же энергия этого сигнала распределена в пределах от 200-300 Гц до 3-4 кГц. При определении допустимых ограничений спектра речи в телефонии ставят два условия: во-первых, речь должна иметь высокую разборчивость; во-вторых, она должна быть естест-венной настолько, чтобы корреспонденты могли узнавать друг друга по голосу. Эксперимент показал что этим условиям удовлетворяет спектр речевого сигнала с полосой 300-3400 Гц. Типовой канал передачи с эффективно передаваемой полосой частот 300-3400 Гц называется каналом тональной частоты или каналом ТЧ. Этот канал является в системах связи основным.
Ширина спектра телеграфного сигнала зависит от скорости его передачи , которая оценивается количеством элементарных импульсов, передаваемых в 1 секунду. За единицу скорости передачи принят один Бод. Обычно при вычислении ширины спектра телеграфного сигнала пользуются соотношением Fс . Так, при типовой скорости передачи =100 Бод, ширина спектра телеграфного сигнала Fc = 150 Гц.
Таким образом, рассмотрение основных параметров сигналов Тс, Дс и Fс позволяет любой сигнал представить геометрически в виде объема сигнала Vc = Тc Дc Fc (рис. 1.3).
рис.1.3
Подобно сигналу, канал связи также можно описать тремя параметрами Тк, Дк, Fк и емкостью канала Vк = Тк Дк Fк. Однако эти параметры могут быть как постоянными, так и переменными. Отсюда различают каналы связи с постоянными и переменными параметрами. К каналам связи с пос-тоянными параметрами относятся проводные каналы передачи и некоторые каналы радиосвязи ультракоротковолнового диапазона. К каналам связи с переменными параметрами относятся практически все каналы радиосвязи. Это вызвано тем, что область свободного пространства, в котором распространяются электромагнитные волны, меняет свои показатели под действием внешних условий. Поэтому сигнал на выходе канала радиосвязи все время случайным образом изменяется по уровню в широких пределах. Отсюда следует, что канал радиосвязи находится в более трудных условиях по отношению к каналу проводной связи и такой показатель, как достоверность передачи у канала радиосвязи хуже. [1]