Динамічний діапазон і пік-фактор сигналів.
Миттєва потужність сигналів зв‘язку може приймати різноманітні значення в самих широких межах. Щоб охарактеризувати ці межі, вводять поняття динамічного діапазону і пік-фактора сигналів.
Динамічний діапазон сигналу, дБ, визначається виразом:
Dc=10lg(Pmax/Pmin),
де Pmax, Pmin – максимальне та мінімальне значення миттєвої потужності.
Пік-фактором сигналу називають відношення його максимальної потужності до середньої, вираженої в логарифмічних одиницях:
Q=10lg(Pmax/Pср).
Приклад. Маємо періодичний прямокутний сигнал
Він може бути розкладений на складові з частотами f1=1/T, f3=3/T, f5=5/T і т.д. Число складових нескінченно, але чим вища частота, тим менша амплітуда. Звідси випливає, теоретично смуга частот, яку займає цей сигнал, прагне до ∞.
Для передачі такого сигналу необхідний канал, який має нескінченну смугу пропускання. По-перше, таких каналів не існує, по-друге, чим ширше смуга пропускання каналу, тим він дорожче. Але, так як, чим вище частота складової, тим нижче амплітуда, тоді складовими з частотою і fn можливо знехтувати.
Візьмемо тільки складові f1, f3, f5. Смуга частот, займають ці складові,
f5 – f1=D fc.
Нехай:
f1=1000 Гц,
f3=3000 Гц,
f5=5000 Гц.
Смуга частот, яку займають ці складові:
5000-1000 = 4000 Гц.
Зменшимо тривалість одиничного елементу в 3 рази, тоді
f1=3000 Гц,
f3=9000 Гц,
f5=15000 Гц
і смуга частот, яка задіяна 12000 Гц.
Висновок. Чим менша тривалість одиничного елементу (t0), тим ширше смуга частот, яку займає сигнал!
Звідси наслідок: чим більша швидкість телеграфування В, тем ширше смуга частот, яку займає сигнал, и тим ширше потребується канал и, отже, тим дорожче доставка інформації.
Сигнали електрозв‘язку та їх спектри.
Розглянемо сигнали електрозв‘язку які найбільш часто зустрічаються і обговоримо їх спектри.
Телефонні (мовні) сигнали.
Людина набрала в легені повітря и видала звук. Що же трапилось? Повітря, виходячи з легенів, заставляє вібрувати голосові зв’язки. Від них коливання повітря передаються через гортань голосовому апарату, який закінчується ротовою та носовою порожнинами (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Крива звукового тиску при проголошенні звуку «а» чоловічим голосом
Останні виконують роль резонаторів – вони підсилюють коливання повітря, подібно тому, як пустотілий корпус гітари або скрипки, також являючись резонатором, підсилює звуки струн. Коливання повітря із голосового апарату людини передаються навколишньому повітрю. Виникає звукова хвиля. Характер видаваного звуку визначається натяжінням голосових зв‘язок, формою ротової порожнини, положенням язика, губ і т.д. Із описання голосового апарату людини неважко зрозуміти, що голосові зв‘язки грають роль своєрідних струн, вони створюють основний тон і рясну кількість обертонів. Частота основного тону мови лежить в межах від 50...80 Гц (дуже низький голос – бас) до 200...250 Гц (жіночий і дитячий голоси). При розмові частота основного тону міняється в значних межах, особливо при переході від голосних звуків до приголосних і навпаки.
В спільному звучанні основний тон і обертони створюють відповідну окраску звуку або тембру. Один тембр відрізняється від іншого числом та силою обертонів. При перевазі в людському голосі високих обертонів над низькими, ми чуємо в ньому «звучання металу». Люди, у яких в голосі переважають низькі обертони, говорять м‘яким, оксамитовим голосом.
Для отримання форми кривої звукового тиску, який створює мова людини, необхідно скласти синусоїдальні криві основного тону і обертонів. Із-за наявності великої кількості обертонів форма результуючої кривої буде складною. На рис. 3.5 показано, який тиск створює звук “а”, промовлений чоловічим голосом з частотою основного тону 200 Гц (період основного тону 5 мс). Для передачі звуку на відстань він в телефонному апараті перетворюється в сигнал. Для цієї мети служить мікрофон.
Рис. 3.6. Перетворення звуку в електричний сигнал за допомогою мікрофону
Телефон було винайдено А.Г. Беллом, учителем в школі глухонімих в американському місті Бостоні в 1876 р. З тих пір в його конструкцію було внесено багато удосконалень. В частковості, в сучасному телефоні використовується чутливий вугільний мікрофон (рис. 3.6). В ньому мембрана стикається з вугільним порошком. Поки в мікрофон не говорять, опір порошку залишається незмінним і через нього від батареї в лінію (провід) протікає постійний струм. Варто вимовити в мікрофон яке-небудь слово, порошок під дією коливної мембрани буде то спресовуватися, то розрихлюватися. Зміна щільності порошку приводить до зміни його електричного опору, а значить, і до зміни струму, який тече через порошок. В проводах, які йдуть від мікрофону, народжується електричний струм, який повторює форму звукового тиску.
Вивчення мови показує, що мова – це процес, частотний спектр якого находиться в межах від 50...100 до 8000...10000 Гц. Встановлено однак, що якість мови залишається цілком задовільним, якщо обмежити спектр знизу та зверху частотами 300 и 3400 Гц. Ці частоти прийняті Міжнародним союзом електрозв‘язку (МСЭ) в якості кордонів ефективного спектру мови. При вказаній смузі частот зберігається добра розбірливість мови та задовільна натуральність її звучання.
Рис. 3.7. Спектр людської мови
На рис. 3.7 наведено спектр мови. Як видно із рисунка, деякі частотні складові мови підсилені, а інші ослаблені. Підсиленні області спектру частот називаються формантами. Звуки мови різних людей відрізняються числом формант і їх розміщенням в частотному спектрі. Окремі звуки можуть мати до шести формант, із яких тільки одна або дві являються визначальними. Вони обов‘язково знаходяться в діапазоні частот 300...3400 Гц. Між формантами лежать менш потужні складові звукових частот. Однак саме вони придають голосу кожної людини індивідуальність, яка дозволяє впізнавати того, хто говорить.
Сигнали звукового мовлення.
Джерелами звуку при передачі програм мовлення звичайно є музичні інструменти або голос людини. Формування сигналів звукового мовлення і їх прийом здійснюється так само, як і телефонних сигналів. Використовуються лише інші типи мікрофонів.
Спектр звукового сигналу займає смугу частот 20...20000 Гц. Однак залежно від вимог до якості відтворення ширини спектру сигналу мовлення може бути обмежене. Для досить високої якості (канали мовлення першого класу) смуга частот повинна становити 50...10000 Гц, для бездоганного відтворення програм мовлення (канали вищого класу) - 30...15000 Гц.
Факсимільні сигнали.
Зверніть увагу на те, як ви читаєте книгу. Ваші очі сковзають по рядку ліворуч праворуч, потім ви переходите до початку іншого рядка й т.д. до кінця сторінки. Словом ви "переглядаєте" всі елементи рядка послідовно. Можна сказати, що при читанні книги відбувається порядкове розгорнення текстового зображення.
Саме по такому принципу "проглядається" зображення в сучасних факсимільних апаратах, призначених для передачі на відстані різного роду нерухомих зображень (документів, креслень, малюнків, фотографій). Для цього за допомогою джерела світла й системи оптичних лінз формують світлова пляма так, щоб висвітлювати на переданому зображенні площадку розміром, скажемо, 0,2х0,2 мм. Ця світлова пляма переміщається спочатку уздовж одного рядка, потім переходить на іншу й рухається по ній - і так до кінця останнього рядка. Світло, відбиваючись від кожної елементарної площадки, попадає на фотоелемент і викликає в його ланцюзі струм (мал. 3.8). Значення цього струму залежить від яскравості відбитого світла, а остання - від яскравості освітленої площадки. Таким чином, при переході світлової плями на зображенні від однієї елементарної площадки до інший струм у ланцюзі фотоелемента міняється пропорційно яскравості площадок: ми одержуємо точну електричну копію зображення.
Рис. 3.8. Перетворення зображення в електричний сигнал у факсимільному апарату
Розглянемо зображення, що складається тільки із двох кольорів: чорного та білого, наприклад, сторінку книги, яке-небудь креслення й т.п. Очевидно, кожний елемент зображення (нагадаємо, що розміром він усього 0,2х0,2 мм) буде являти собою або чорну, або білу площадку, нагадуючи чергуванням шахівницю. Чорні площадки практично повністю поглинають падаючий на них світло. Яскравість відбитого ними світла при цьому настільки незначна, що при перегляді чорних площадок струм у ланцюзі фотоелементу не виникає. Навпаки, площадки білого кольору майже повністю відбивають падаюче на них світло, і при влученні на них світлового променя струм у ланцюзі фотоелементу стрибком приймає максимальне значення. Таким чином, переміщаючи світлову пляму, а слідом за ним і фотоелемент уздовж кожного рядка зображення, одержуємо на виході фотоелементу послідовність імпульсів (рис. 3.8).
При такому "шаховому" чергуванні елементів зображення спектр факсимільного сигналу буде ширше, ніж для будь-якого іншого зображення, оскільки крутіше фронтів імпульсів, чим у прямокутних, не буває.
Ширина спектру факсимільного сигналу залежить від швидкості розгорнення зображення й розмірів світлової плями.
На стандартному аркуші паперу формату А4 у рядку міститься приблизно 1000 чорно-білих елементів зображення при ширині плями 0,2 мм. Якщо у факсимільному апараті швидкість розгорнення становить 60 рядків/хв, тобто кожний рядок зчитується за 1 с, то за цю секунду 500 разів буде здійснений перехід із чорного на біле, або навпаки. Це означає, що максимальна частота чергування імпульсів дорівнює 500 Гц. При ширині світлової плями 0,1 мм у рядку буде в 2 рази більше елементів зображення, і максимальна частота чергування імпульсів підвищиться до 1000 Гц. Тому що для збереження гарного ступеня "прямокутності" імпульсів потрібно передавати крім основної гармоніки ще й трохи вищих, то ширина спектра факсимільного сигналу може простиратися до 1,5...3,0 кГц.
При збільшенні швидкості розгорнення зображення чорні й білі площадки будуть зчитуватися частіше й, отже, спектр факсимільного сигналу буде ширше. При передачі зображень із півтонами виходить сигнал складної форми, спектр якого є безперервним і з'єднує всі частоти від нуля до максимальної.
Факсимільний зв'язок широко використається для передачі газетних смуг (тобто їхніх зображень) у пункти централізованого друкування. Для передачі газет використають спеціальні високошвидкісні факсимільні апарати із шириною світлової плями 0,05 мм. Підвищена швидкість розгорнення дозволяє передавати одну газетну смугу за 2-3 хвилини. Це приводить до розширення спектру факсимільного сигналу до 180 кГц.