Предисловие

Существование современного человеческого общества немыслимо без высокоорганизованных средств связи и управления. Объемы информации, которые необходимо передавать в настоящее время по различным каналам связи, резко возрастают. При этом постоянно повышаются требования к достоверности и надежности передачи сообщений. Существующая сеть связи - это сеть, единая в организационном и техническом отношениях, позволяющая вести передачу между любыми точками страны любого вида сообщений: телефонных, телеграфных, фототелеграфных, вещания, телевидения, цифровой информации для вычислительных я управляющих машин и систем, разнообразной экономической информации и т.д.

Разработка систем связи, удовлетворяющих современным требованиям, базируется на фундаменте современной общей теории связи, которую часто называют еще статистической теорией связи, обшей теорией информации, теорией передачи и сообщений и т.д.

Теория передачи сообщений изучает общие закономерности, присущие как самим сообщениям, так и их передаче при наличии помех. Основы этой теории были заложены в работах советского ученого В.А. Котельникова по теории помехоустойчивости в 1947г. и американского ученого Клода Шеннона по теории информации в 1949 г.

Теория электрической связи является обобщающей теоретической дисциплиной, основой современной техники связи. Появление этой теории было обусловлено наличием большого количества накопленных и ожидающих обобщения частных знаний в теории и технике связи. Она ставит и решает основные вопросы в общем виде, позволяя не только обозреть, но и предсказать заслуживающие внимания направления дальнейшего развития техники связи.

В настоящем выпуске, являвшемся первой частью учебного пособия по курсу ''Теория электрической связи", рассматриваются сигналы связи и способы их математического описания. Случайный характер принимаемых сигналов делает необходимым использование вероятностных и статистических методов для анализа и синтеза систем связи и их элементов.

Глава 1 основные понятия и определения

§ 1.1. Сигналы, сообщения, системы связи

Любая система связи является системой передачи, в которой объектом передачи являются сообщения. Всякое сообщение есть совокупность сведений о состоянии какой-либо материальной системы, которые передаются человеком (устройством), наблюдающим эту систему, другому человеку (устройству), не имеющему возможности получить эти сведения путем непосредственных наблюдений. Материальная система вместе с наблюдателем представляет собой источник сообщений (корреспондент).

Источник выдает сообщения из некоторого множества возможных сообщений. Это множество может быть конечным (например, буквенный текст) или бесконечным (например, телефонное сообщение). Каждая буква, например, принадлежит конечному множеству, образующему алфавит, а каждое слово – конечному множеству, образующему словарь. Множество сообщений совместно с их вероятностями появления (априорными вероятностями) называется ансамблем сообщений.

С математической точки зрения всякое сообщение можно представить в виде некоторой функции времени т(t), которая может быть как непрерывной функцией непрерывного времени (например, при передаче речи), так и последовательностью чисел (слов, букв), т.е. функцией дискретного времени.

Чтобы сообщение могло быть передано получателю, необходимо воспользоваться каким-либо переносчиком. В качестве переносчика можно использовать любой физический процесс, например, электрический ток в проводе (проводная связь), электромагнитное поле (радиосвязь), звуковые волны, световой луч и т.д.

Изменяющаяся физическая величина s(t), отображающая передаваемое сообщение m(t), называется сигналом. Очевидно, что каждому сообщению должен соответствовать свой сигнал, чтобы на приемной стороне по принятому сигналу можно было однозначно определить переданное сообщение. Типовая блок-схема передачи сообщений приведена на рис. 1.1.

Канал связи

Источник сообщений

Передатчик

Линия связи

приемник

Получатель сообщения

Источник сообщений

Получатель сообщения

помехи

Рис.1.1 Блок-схема системы связи

Процесс преобразования сообщений в сигналы осуществляется передающим устройством и состоит из одной или нескольких следующих операций: преобразования неэлектрической величины в электрическую, кодирования и модуляции. Первая операция необходима при передаче любых сообщений – дискретных и непрерывных. Например, при передаче речи она состоит в преобразовании звукового давления в пропорционально изменяющийся электрический ток микрофона.

Дискретные сообщения представляют собой случайную последовательность некоторых элементов .Эта последовательность на передающей стороне может быть преобразована по определенному закону в другую последовательностьболее удобную с технической точки зрения. Операция преобразования последовательности{mп} в последовательность al называется кодированием и осуществляется кодирующим устройством. Способы и цели кодирования могут быть различными.

Чаще всего кодирование состоят в дополнительном расчленении каждого элемента последовательности. При передаче письменного текста, например, каждой букве соответствует некоторая новая последовательность символов , называемая кодовой комбинацией. Если кодовая комбинация содержитn символов, каждый из которых принимает одно из m возможных значений, то число возможных комбинаций будет равно . Числот называется основанием, а n – значностью кода. Если m=2, то код называется двоичным. При передаче дискретных сообщений в телеграфии широко используется, например, пятизначный двоичный код ( m=2, n=5). Этот код обеспечивает передачу сообщений с объемом алфавита буквы. Каждая буква при этом передается последовательностью из пяти токовых или бестоковых посылок (''нулей'' и ''единиц''). Коды, в которых все кодовые комбинации содержат одинаковое число элементов, называются равномерными. Иногда используются и неравномерные коды, каковым является, например, код Морзе.

Выше говорилось о так называемом примитивном кодировании, целью которого является упрощение используемой аппаратуры. В последнее время начинает широко использоваться помехоустойчивое кодирование, целью которого является повышение надежности работы систем связи при наличии помех.

При передаче непрерывных сообщений операция кодирования часто отсутствует. Однако в последнее время начинают применяться различные виды импульсной модуляции. При этом в качестве первичного переносчика используется периодическая последовательность импульсов. В этом случае оказываются возможными дискретные способы передачи и кодирования непрерывных сообщений.

Операции кодирования обычно осуществляются электрическими схемами. Различным последовательностям кодовых символов будут соответствовать последовательности элементов первичных электрических сигналов U(t), которые называют немодулированными или видеосигналами.

Процесс преобразования сообщений в сигналы s(t) заканчивается модуляцией некоторого переносчика. Модуляция заключается в изменении какого-либо параметра переносчика . Модулированный параметра получает приращение, пропорциональное модулирующему сигналу:

где - максимальное абсолютное приращение модулируемся параметра, а величина представляет собой относительное изменение этого параметра и называется коэффициентом модуляции. При передаче дискретных сообщения модулируемый параметр принимает одно из нескольких возможных дискретных значений. В этом случае вместо термина "модуляция'' часто используется термин "манипуляция". Число возможных видов модуляции равно числу параметров переносчика. Например, в случае синусоидального переносчика возможны амплитудная, фазовая и частотная виды модуляции.

Операцию формирования сигнала кратко можно представить в виде

(1.1.1)

где F - нелинейная операция, включающая в себя операции кодирования и модуляции.

Сформированный таким образом сигнал с выхода передатчика поступает в линию связи. Линней связи называется физическая среда, используемая для передача сигналов от передатчика к приемнику. Этой средой может быть физическая цепь (пара проводов, кабель в проводной связи) или область пространства, в котором распространяются электромагнитные волны (радиосвязь в любом диапазоне частот, в том числе и оптическом).

В реальных линиях связи всегда присутствуют помехи ξ(t) различного происхождения. Взаимодействие сигнала и помехи можно представить в виде некоторой линейной или нелинейной операции

(1.1.2)

На вход приемника поступает искаженный помехой сигнал х(t), по которому необходимо определить переданное сообщение. Следовательно, приемник должен осуществить операции, обратные операциям на передающей стороне: демодуляцию и декодирование. Демодуляцию принятого сигнала осуществляет демодулятор, который обрабатывает принятые сигналы по определенным правилам и производит опознавание переданных элементов сигнала (кодовых символов). Декодирующие устройство преобразует кодовые комбинации в элементы сообщения. В целом действие системы связи можно описать выражением:

(1.1.3)

где W - нелинейный оператор, включающий в себя операции демодуляции и декодирования.

Очевидно, что в идеальном случае принятое сообщение должно точно соответствовать переданному, т.е. . Однако наличие помех в линии связи вызывает принципиальную неоднозначность при восстановлении сообщения на приемной стороне. Поэтому всегда .

Введем еще некоторые определения.

Совокупность технических средств, предназначенных для передачи сообщения от источника к получателю, называется каналом связи. В него входят передатчик, линия связи и приемник. Любой канал характеризуется тремя основными параметрами:

а) полосой частот , которую может пропустить канал,

б) временем Т, в течение которого канал предоставлен для работы,

в) допустимым диапазоном уровней сигнала в канале (динамический диапазон).

Канал связи вместе с источником и получателем сообщений образует систему связи. Системы связи друг от друга могут отличаться типом передаваемых сообщений, методами преобразования сообщений в сигналы и восстановления сообщений по принятым сигналам физической средой, используемой в качестве линии связи, и т.д.

По типу передаваемых сообщений системы связи могут быть непрерывными и дискретными. Телеграфные системы связи являются типичным примером дискретных систем. Системы телефонии, радиотелефонии, телевидения при аналоговых (непрерывных) способах модуляции относятся к непрерывным системам связи. В последнее время для передачи непрерывных сообщений используются системы с различными видами импульсной модуляции. Такие системы можно отнести к типу смешанных систем.

В дискретных системах связи при демодуляции и декодировании сигналов необходимо знание длительности, начала и конца каждого элемента комбинации и всей комбинации в целом, т.е. необходима синфазность работы передающего и приемного устройств. По способу поддержания синфазности дискретные системы связи можно разделить на синхронные и асинхронные. В синхронных системах связи передатчик и приемник работают синхронно, для чего используется специальный канал синхронизации. Примером синхронных систем являются телеграфные системы связи, использующие пятизначный двоичный код Бодо. Примером асинхронных систем связи являются стартстопные системы, в которых фазирование работы приемника и передатчика осуществляется специальными дополнительными элементами в начале (стартовый) и в конце (стоповый) каждой кодовой комбинации.

Если по системе связи передается несколько сообщений от различных источников, то она называется многоканальной.

Если по каналу связи сигналы могут передаваться только в одном направлении, то канал называется симплексным. Если же сигналы могут одновременно передаваться в обоих направлениях, то канал называется дуплексным. Дуплексные системы связи по сути дела имеют два канала (прямой и обратный), в общем случае не идентичных. В некоторых случаях в таких системах передача сообщений осуществляется лишь в одном направлении, а обратный канал используется для контроля и защиты от ошибок при передаче сообщений в прямом направлении. Такие системы называются системами с обратной связью. Обратная связь позволяет значительно повысить надежность работы и используется в системах связи и автоматического управления. В последних сигнал обратного канала воздействует на некоторое устройство для подстройки его параметров.