Основные характеристики классификация каналов передачи и электросвязи по видам сообщений. Объем сигнала и объем канала

«Многоканальная связь на ж. д. транспорте»

Конспект лекций

для студентов V курса

специализация СПИ

1. Общие сведения о системах и сетях телекоммуникаций. 2

1.1. Основные понятия и определения. 2

1.2. Первичные и вторичные сети. 3

1.3. Классификация и перспективы развития МСП.. 4

2. Параметры типовых первичных сигналов. 6

2.1. Обобщенная система параметров первичного сигнала. 6

2.2. Основные параметры типовых первичных сигналов. 9

2.2.1. Телефонный сигнал . 9

2.3.3. Факсимильный сигнал. 12

2.3.4. Сигнал дискретной информации (СДИ) 12

2.3.5. Телевизионный сигнал. 12

3. Принципы временного уплотнения сигналов. 13

3.1. Общие принципы формирования основного цифрового канала. 13

3.2. Временное объединение аналоговых сигналов. 13

. 14

. 15

3.3. Объединение цифровых потоков. 18

3.3.1. Посимвольное синхронное объединение . 18

3.3.2. Объединение асинхронных цифровых потоков . 21

3.3.3 Процедура согласования скоростей . 23

4. Плезиохронная цифровая иерархия. 27

4.1. Стандарты плезиохронной иерархии. 27

4.2. Группообразование с двухсторонним согласованием скоростей. 31

4.2.1. Временное группообразование вторичного цифрового сигнала . 31

4.2.2. Временное группообразование третичного и четверичного цифрового сигнала . 32

4.3. Группообразование с односторонним согласованием скоростей. 34

5. СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ Е1. 38

5.1. Физический уровень Е1. 38

5.1.1 Линейное кодирование . 39

5.1.2 Уровни сигналов, электрические параметры интерфейса, форма импульса . 41

5.2. Канальный уровень Е1. 43

5.2.1. Цикловая и сверхцикловая структура Е1 . 43

5.2.2. Процедуры контроля ошибок передачи. Использование избыточного кода CRC-4 . 45

5.3. Сетевой уровень Е1. 47

5.4. Структура систем передачи Е1. 49

6. Синхронная цифровая иерархия. 51

6.1. Сравнение SDH и PDH.. 51

6.2. Особенности построения синхронной иерархии. 52

6.3. Сборка модулей STM-N.. 54

6.4. Правила образования транспортного модуля STM-1. 55

6.5. Процесс формирования модуля STM-1 из потока трибов Е1. 57

6. 6. Назначение заголовков и указателей. 61

6.7. Особенности технической реализации синхронных муьлтиплексоров. 62

6. 8. Методы контроля четности. 64

6. 9. Резервирование. 65

1. Общие сведения о системах и сетях телекоммуникаций

1.1. Основные понятия и определения

Многоканальные системы передачи представляют собой большие и сложные технические системы, которые воплощают в себе самые современные знания и технологии, полученные в разных областях науки и техники. Чтобы дать компактное и в то же время исчерпывающее описание этих систем, нужно использовать общепринятые (желательно согласованные на международном уровне) термины и определения различных объектов, процессов и устройств, относящихся к этой области.

Информацией называют совокупность сведений, данных о каких-либо событиях, явлениях или предметах окружающего нас мира. Для передачи или хранения информации используют различные знаки (символы), которые являются своеобразной формой представления информации. Такими знаками могут быть слова и фразы человеческой речи на том или ином языке, буквы и слова письменной речи, жесты и рисунки, математические и нотные знаки и т. п. Совокупность знаков, отображающих ту или иную информацию, называют сообщением.

Сообщение может иметь электрическую или неэлектрическую природу. В большинстве случаев интерес представляют сообщения неэлектрической природы. Источник и получатель сообщений разделены некоторой средой, в которой источник образует возмущения. Именно эти возмущения отображают сообщения и воспринимаются получателем. Например, при разговоре источником сообщений является голосовой аппарат человека, в качестве сообщения выступает изменяющееся в пространстве и во времени воздушное давление – акустические волны, а получателем служит человеческое ухо.

Процесс передачи (транспортирования) сообщения от источника к получателю в соответствии с принятыми правилами называют связью. При этом используют какой-либо материальный носитель сообщения (бумагу, магнитную ленту и т. д.) и/или физический процесс, отображающий (несущий) передаваемое сообщение. Последний называют сигналом. Тип сигнала определяется характером физического процесса передачи информации. Сигнал называют электрическим, если физический процесс представляет собой передачу электрического тока (напряжения), звуковым – если используется передача акустических колебаний и т. д.

Совокупность средств, обеспечивающих передачу сообщений от источника к получателю, образует канал связи.

Передача сообщений посредством электрических сигналов называется электросвязью, соответственно канал связи, который обеспечивает такую передачу, – каналом электросвязи.

Для передачи каких-либо сообщений неэлектрической природы по каналу электросвязи они должны подвергнуться определенным преобразованиям, которые выполняют первичные преобразователи сообщений (ППС). ППС представляет собой устройство, которое формирует в пункте передачи первичный электрическийсигнал (ПЭС) – электромагнитное колебание, изменение параметров которого соответствует сообщению неэлектрической природы. Примерами ПЭС являются телефонный, телеграфный, телевизионный, сигнал звукового вещания и другие сигналы. В качестве типовых ППС можно назвать микрофон, фотодиод, телевизионную передающую камеру и т. д.

Первичный электрический сигнал может передаваться непосредственно по физической цепи, содержащей пару металлических проводников, но, как правило, ПЭС подвергается дополнительным преобразованиям. Например, для передачи по волоконно-оптической линии связи ПЭС преобразуется в определенного вида оптический сигнал, для направленной передачи в открытом пространстве – в высокочастотный радиосигнал и т. д. На приемной стороне осуществляются обратные преобразования и снова восстанавливается ПЭС. Далее он поступает на обратный преобразователь сообщения (ОПС) – устройство, которое преобразует электрический сигнал в сообщение неэлектрической природы. Типовыми ОПС являются громкоговоритель, светодиод, кинескоп телевизора и др.

Различные виды электросвязи классифицируют либо по типу передаваемых ПЭС (например, телефонная, видеотелефонная, телеграфная, факсимильная, телевизионная и т. п.), либо по типу линии передачи (спутниковая, волоконно-оптическая, радиорелейная и т. п.), если канал электросвязи является универсальным.

Системой электросвязи называют совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающих передачу сигналов электросвязи. В качестве среды распространения используют проводные и беспроводные линии (или радиолинии).

Проводными называются линии, в которых электромагнитные сигналы распространяются в пространстве вдоль непрерывной направляющей среды. К проводным относятся металлические воздушные и кабельные линии, волноводы, световоды. В радиолиниях сообщения передаются посредством радиоволн в открытом пространстве. Этот вид связи обеспечивает большую дальность, пригоден для подвижных источников и получателей сообщения, но зато в большей степени подвержен воздействию внешних помех.

1.2. Первичные и вторичные сети

Понятия "первичные и вторичные сети" были одними из основных в терминологии Взаимоувязанной сети связи (ВСС) России (а до этого – в терминологии ЕАСС) и определяли архитектуру ее построения.

Под первичной сетью понимается совокупность типовых физических цепей, типовых каналов передачи и сетевых трактов, образованных на базе сетевых узлов, сетевых станций, оконечных устройств первичной сети и соединяющих их линий передачи.

Вторичная сеть определяется как совокупность линий и каналов вторичной сети, образованных на базе первичной сети, станций и узлов коммутации или станций и узлов переключений, предназначенная для организации связи между двумя определенными точками или более. Границами вторичной сети являются ее стыки с абонентскими оконечными устройствами. В зависимости от основного вида электросвязи вторичную сеть называли телефонной, телеграфной, передачи данных, сетью распространения программ телевизионного вещания, передачи газет и др. По территориальному признаку вторичные сети разделяли на междугородные и зоновые (внутризоновые и местные).

На базе вторичных сетей организуются системы, представляющие собой комплекс технических средств, осуществляющих электросвязь определенного вида и включающие в себя соответствующую вторичную сеть и подсистемы: нумерации, сигнализации, учета стоимости и расчета с абонентами, технического обслуживания и управления.

На современном этапе, с появлением новых услуг связи , помимо телефонной, с появлением большого количества независимых провайдеров, которые эти услуги поставляют, а также таких технологий как АТМ и MPLS и других, стандарты которых захватывают как первичную, так и вторичные сети передачи информации границы между первичными и вторичными сетями постоянно стираются.

Бурное развитие современных технологий приводит к тому, что нормативная база резко отстала от существующего положения на сетях.

На сегодняший момен, на мой взгляд, следует остановиться на следующих определениях: следует оставить понятие первичной сети, как транспортной сети (линии передачи с оконечным оборудованием); вторичная сеть – сеть услуг (телефонная связь, передача данных и т. д.)

1.3. Классификация и перспективы развития МСП

Многоканальные системы передачи (МСП) представляют собой комплекс технических средств, обеспечивающих одновременную и независимую передачу нескольких сигналов с требуемым качеством по одной линии передачи. МСП классифицируются по следующим признакам.

1. По виду направляющей среды: проводные и беспроводные.

В свою очередь различают: а) проводные по воздушным линиям – ВСП; по кабельным линиям – КСП; по волоконно-оптическим линиям – ВОСП; б) беспроводные по радиорелейным линиям передачи – РРСП; по спутниковым линиям – ССП.

2. По числу источников сообщений (числу каналов N): а) малоканальные – N< 12 (обычно по воздушным линиям связи); б) среднеканальные – N= 12 – 60 (обычно КСП по симметричным кабелям или РРСП); в) многоканальные – N > 300 (обычно КСП по коаксиальным кабелям или РРСП, а также ВОСП); г) сверхмногоканальные – N >> 3000 (только ВОСП или КСП по «большим» коаксиальным кабелям, например система К-3600).

Для унификации МСП число источников сообщений (каналов) определяют по числу эквивалентных телефонных сообщений, которые могут быть переданы в МСП.

3 По форме передаваемых сигналов: а) аналоговые (АСП) – используемые для передачи аналоговых электрических сигналов, которые за конечный интервал времени могут принимать бесконечное множество состояний (рис. 1.4,а). Примером таких АСП являются системы типа В-12, К-1920 и т. п.; б) дискретные – используемые для передачи дискретных сигналов, которые на конечном интервале времени имеют конечное (дискретное, счетное) число состояний (рис. 1.4,б); в) цифровые (ДСП) – используемые для передачи цифровых сигналов, которые дискретны по времени и имеют два разрешенных уровня «1» и «0» мгновенных значений (рис. 1.4,в). Примером ЦСП является аппаратура типа ИКМ-30, ИКМ-1920 и т. п.

Рис. 1.4 а. Рис. 1.4 б. Рис. 1.4 в.

Основные тенденции развития МСП:

1. постоянный и неуклонный переход от АСП к ЦСП;

2. преимущественное развитие ВОСП, особенно магистральных с большим числом каналов;

3. увеличение доли ССП;

4. повышение надежности, улучшение качественных показателей МСП.

Спектральная плотность Gx(f) случайного процесса характеризует распределение мощности отдельных спектральных компонент сигнала x(t) . Если сигнал x(t) периодический, то функция Gx(f) дискретна; если сигнал x(t) непериодический, то функция Gx(f) непрерывна.

Передать сигнал без искажений, не передавая его спектр, невозможно. Любое сокращение спектра, допущенное при передаче, ведет к искажению сигнала.

Все реально существующие сигналы связи представляют собой случайные процессы с бесконечно широким спектром. При этом, основная энергия сосредоточена в относительно узкой полосе частот. Поскольку передать весь спектр сигнала невозможно, то по линии связи передают ту часть спектра сигнала, в которой сосредоточена основная энергия, и при этом искажения не превышают допустимых значений.

На рисунке 2.1 приведены характерные зависимости Gx(f) :

Рис. 2.1. Характерные зависимости спектральной плотности Gx(f) :

а) для случая, когда спектр сигнала сосредоточен в основном в полосе частот Fн < f < Fв, где Fн, Fв – нижние и верхние граничные частоты (рис. 2.1 а);

Если Fв/Fн >> 1, то сигнал считается широкополосным; при Fв/Fн ≈ 1 – узкополосным.

б) когда 0 < f < Fв т. е. Fн = 0 (рис. 2.1, б);

в) когда сигнал имеет бесконечно широкий и равномерный спектр, этот вариант является удобной математической моделью и соответствует условному сигналу, называемому «белым шумом» (рис. 2.1, в).

Ширина спектра сигнала, равная разности максимальной FВ и минимальной FН частот передаваемого спектра ΔF=FВ – FН является одной из важнейших его характеристик.

Мощность сигнала, усредненную на интервале времени T → ∞ называют средней долговременной мощностью Рх. ср. Если T конечно, например 1 минута или 1 час, то получим среднеминутную или среднечасовую мощность. Наконец, при T → 0 получим мгновенное значение мощности сигнала Рх в момент t0.

Поскольку x(t) – случайный процесс, то строго теоретически в отдельные моменты времени выбросы сигнала x(t) и соответственно мгновенное значение мощности Px(t) (усредненной за малый интервал ΔT) могут быть очень большими. Обычно за максимальную мощность сигнала принимается такая величина Px max = Xmax2, превзойти которую мгновенное значение Px может только с очень малой вероятностью ε. Обычно ε = 0,01 или 0,001.

Пик-фактор сигнала – это отношение его максимальной мощности Pmax, определенной выше, к средней долговременной Pср, выраженной в логарифмических единицах (децибелах):

.

Для большинства сигналов Кп не превышает 13 – 18 дБ.

В процессе передачи сигнал x(t) по тем или иным причинам (иногда и сознательным) искажается в результате к получателю поступает сигнал x’(t) ≠ x(t). Ошибка воспроизведения сигнала x(t) оценивается мощностью ошибки Pε, определяемой в виде

Получатель не замечает искажений сигнала, если Pε не превышает некоторо допустимогоо (порогового) значения Pε max. Под динамическим диапазоном понимается величина

, дБ,

где Pmax – максимально возможная мощность сигнала.

Также динамический диапазон определяется как отношение максимальной (пиковой) мощности Рс max сигнала к его минимальной мощности Рс min , выраженное в логарифмических единицах. Под пиковой мощностью понимается мощность сигнала, превышаемая в течение определенного времени. Динамический диапазон сигнала при использовании системы десятичных логарифмов

Динамический диапазон речевых сигналов составляет 35 – 40 дБ.

В реальных условиях сигналы связи передаются по линиям передачи, в которых действуют различного рода помехи. Поэтому наиболее важным является не абсолютное значение мощности сигнала, а ее соотношение с мощностью помехи. Из этих соображений обычно рассматривается и нормируется особая величина – защищенность сигнала от того или иного вида помехи.

Под защищенностью понимается разность уровней сигнала и помехи в данной точке канала связи:

Информационная производительность источника определяется отношением количества информации ИΣ, переданной с помощью ПЭС к получателю (приемнику) за время tΣ, к величине интервала tΣ:

При tΣ → ∞ величина I определяет среднюю информационную производительность источника; если tΣ мало, то тогда I характеризует мгновенную информационную производительность.

Найдем количество информации для источника дискретного сигнала, имеющего L разрешенных состояний (уровней) (рис. 2.2).

На интервале ti < t< ti+1 сигнал принимает i-й уровень (i Є ) с вероятностью pi..jpg" width="195" height="43">

Тогда производительность дискретного источника будет равна

где Тп – длительность элементарной посылки (рис. 2.2), FТ = 1/Tп – частота следования посылок (тактовая частота).

Пример. Пусть вероятность принятия i – го уровня одинакова для всех i Є ,

Подставляя значение pi находим

Если сигнал имеет два разрешенных уровня («0» и «1»), т. е. L = 2, причем p0 = p1 = 0,5, то получим для цифрового сигнала

Т. е. информационная производительность источника двоичного сигнала совпадает с его тактовой частотой. Например, информационная производительность источника основного цифрового канала (ОЦК), тактовая частота которого равна 64 кГц, будет равна 64 кБит/с.

Для аналогового сигнала

где величины FВ, Рср и Рε max определялись выше; D* и Кп* - соответственно динамический диапазон и пик-фактор сигнала, выраженные в разах (а не в дицибелах).

Если можно принять, что D*/K* >> 1, то тогда из предыдущей формулы имеем

Здесь D и Кп подставляются в децибелах, FВ – в герцах.

2.2. Основные параметры типовых первичных сигналов

2.2.1. Телефонный сигнал

Усредненная спектральная плотность (синоним – энергетический спектр) речевого сигнала, получаемого на выходе микрофона телефонного аппарата, показана на рис. 2.3.

Спектр сосредоточен в основном в пределах от 0,3 до 3,4 кГц. Это обусловлено, в первую очередь, параметрами первичных абонентских преобразователей – микрофона и телефона. Максимум спектра соответствует частоте F0, которая для мужских и женских голосов изменяется в пределах от 300 до 500 Гц.

Плотность распределения уровней абонентов на входе многоканальных систем передачи примерно описывается нормальным законом (рис. 2.4).

В зависимости от того, в какой точке системы будет измеряться это распределение, функция W(p) параллельно сместится по оси уровней р. Максимум ее соответствует уровню рср для некоторого среднего абонента в этой точке. Как правило, указывается функция W(p), приведенная ко входу системы (обычно точка нулевого относительного уровня ТНОУ):

Разброс уровней относительно рср не зависит от точки измерения и характеризуется дисперсией σр , которая равна 4,5 ... 5,5 дБ. Для нормального закона справедливо правило «трех сигм», в соответствии с которым максимальный уровень абонента pmax с вероятностью 99,9% равен pmax < (рср + З σр ).

Отношение средней мощности сигнала Рср к мощности той максимальной ошибки Рε, которую еще не чувствует ухо в условиях разговора, для всех абонентов, как показывает эксперимент, составляет

То же можно сказать и о пик-факторе любого абонентского сигнала, который равен Кп ≈ 15 – 17 дБ.

Тогда динамический диапазон сигнала равен

При оценке информационной производительности источников телефонного сигнала по ((номер формулы производительности для аналогового источника)) необходимо учесть, что каждый абонент говорит в среднем половину времени, отводимого для диалога с другим абонентом. Кроме того, значительная доля времени уходит на паузы, обдумывание ответов и т. п. За счет указанных факторов производительность источника сообщений уменьшается в среднем в 3 – 4 раза, что учитывается коэффициентом активности τа = З-1 Тогда используя формулу для информационной производительность источника аналогового сигнала, получи

2.2.2. Сигнал звукового вещания

Источниками звука при передаче программ звукового вещания (ЗВ) обычно являются музыкальные инструменты и голос человека. В качестве первичных преобразователей сигнала ЗВ используются высококачественные широкополосные микрофоны и громкоговорители, способные в принципе передать весь спектр звуков, которые может слышать человеческое ухо. Частотный спектр сигнала вещания расположен в полосе частот от 15 доГц. Однако в зависимости от требований к качеству воспроизведения полоса частот может быть ограничена:

для передачи по высшему классу - FH = 0,02 кГц, FB = 15 кГц;

по первому классу - FH = 0,05 кГц, FB = 10 кГц;

по второму классу - FH = 0,1 кГц, FB = 6 кГц.

Как правило, по международным магистралям международные и республиканские программы ЗВ передаются по 1-му классу, местные распределительные сети ЗВ обычно обеспечивают качество передачи по 2-му классу, аппаратура студий и домов звукозаписи рассчитывается на передачу сигнала ЗВ по высшему классу.

Допустимая ошибка воспроизведения сигнала ЗВ, оцениваемая величиной

101g(Pcp/ Pε), дБ, находится путем профессиональной экспертизы при использовании высококачественной аппаратуры (первичных преобразователей). Она составляет примерно 54 – 56 дБ. Пик-фактор сигнала ЗВ равен 16 – 18 дБ. Соответственно динамический диапазон на основании равен D = 70 – 74 дБ. Определяем производительность источника сигнала ЗВ:

https://pandia.ru/text/78/323/images/image025_36.jpg" width="350" height="48 src=">

При использовании факсимильной аппаратуры «Газета-2», применяемой для передачи газетных полос по междугородным линиям связи, наивысшая частота рисунка равна 180 кГц при времени передачи одной полосы 2,3 .... 2,5 мин. Изображение газетной полосы является растрированным (штриховым) с числом уровней L = 2. Тогда

DIV_ADBLOCK156">

Скорость передачи оценивают или частотой fТ = 1/τи, или числом элементарных символов за 1 с в бодах (1 Бод соответствует передаче одного символа в секунду). По этому параметру источники дискретной информации делят на низкоскоростные (в их числе и телеграфные), которые имеют скорость не более 200 Бод, среднескоростные – от 300 до 1200 Бод и высокоскоростные – более 1200 Бод.

2.3.5. Телевизионный сигнал.

В телевидении, так же как и при факсимильной связи, первичный сигнал формируется методом развертки. Электрический сигнал, включающий в себя сигнал изображения и управляющие импульсы, называется полным телевизионным сигналом. Для сигнала вещательного телевидения характерно D = 40 дБ, FB = 6,0 МГц.

Как известно, при переходе из аналоговой формы в цифровую сигнал претерпевает следующие преобразования (рис. 3.1.):

Рис. 3.1. Преобразование аналогового сигнала в цифровой ИКМ-сигнал

Дискретизация индивидуальных сигналов по времени, в результате чего формируется импульсный сигнал, промоделированный по амплитуде, т. е. АИМ сигнал;

Объединения N индивидуальных АИМ сигналов в групповой АИМ сигнал с использованием принципов временного разделения каналов;

Квантования группового АИМ сигнала по уровню;

Последовательного кодирования отсчетов группового АИМ сигнала, в результате чего формируется групповой ИКМ сигнал, т. е. цифровой сигнал.

Таким образом, при частоте дискретизации FД=8кГц (TД=125 мкс) и разрядности кода m=8 получаем скорость передачи сформированного ИКМ-сигнала 64 кбит/с, которая и является скоростью основного цифрового канала (ОЦК). Преобразование аналогового сигнала в сигнал ИКМ стандартизировано МСЭ-Т Рекомендацией G-711.

3.2. Временное объединение аналоговых сигналов

При временном уплотнении сигналов их передача осуществляется дискретно во времени. При этом между соседними дискретами одного сигнала всегда имеются «временные окна», в которых нет передачи этого сигнала. Эти «окна» и заполняются дискретами других сигналов. В зависимости от того, в какой форме представлен дискрет каждого сигнала, возможны два вида временного уплотнения:

а) уплотнение сигналов в аналого-импульсной форме;

б) уплотнение сигналов в цифровой форме.

3.2.1. Общие принципы объединения аналоговых сигналов

При временном объединении аналоговых сигналов (рис. 3.2) каждый из сигналов многоканальной системы a 1 (t ) ÷ an (t ) (рис. 3.3, а, в) предварительно преобразуется из аналоговой формы в сигнал АИМ-1 или АИМ-2.

Формирование АИМ-сигналов производится с помощью дискретизаторов (см. рис. 3.24), которые управляются соответствующими импульсами коммутации U д1 ÷ U дn . Поскольку эти сигналы являются ортогональными (непересекающимися) во времени (см. рис. 3.25, б, г), то дискреты сигналов a д1 (t ) ÷ a дn (t ) также не совпадают во времени и их можно непосредственно объединить в групповой сигнал U гр(t) с помощью линейного сумматора 2 (рис. 3.25, д). Формирование сдвинутых во времени последовательностей импульсов U д1 ÷ U дn осуществляется с помощью генераторного оборудования (ГО) 3. Оно же с помощью передающего устройства синхросигналов 4 формирует специальный сигнал синхронизации, который объединяется с выборками информационных сигналов a 1 (t ) ÷ an (t ) . Элементарный цикл передачи в многоканальной системе строится по принципу: передается выборка 1-го канала, 2-го и т. д. до n-го, затем передается синхросигнал; потом снова выборки 1-го, 2-го канала и т. д.

На приемной стороне (рис. 3.4) дискретизаторы 11 – 1n осуществляют выделение из группового сигнала выборок только «своих» каналов. После канального фильтра 3i , i = 1, ...,n происходит восстановление непрерывного сигнала a i (t) из дискретизированного a дi (t ) ,.

Канальные дискретизаторы на передающей и приемной сторонах должны работать синхронно и синфазно. Для этого применяется принудительная синхронизация приемной части. Она выполняется с помощью специального приемника синхросигнала 2, который из группового сигнала выделяет сигнал синхронизации и подает его на генераторное оборудование приема 4. Для безошибочного выделения синхросигнала последнему придаются специфические признаки, отличающие его от информационных выборок. Отличием может быть амплитуда, длительность, форма и т. п. ГО передачи и приема строятся почти одинаково, только задающий генератор на стороне передачи работает в автономном режиме, а на стороне приема – в режиме – принудительной синхронизации. Преимущества такого варианта временного уплотнения заключаются в следующем:

1) для всех каналов используется общее ГО;

2) все сигналы дискретизируются с одной частотой, что позволяет использовать однотипные дискретизаторы и канальные фильтры;

3) аналого-цифровое преобразование (операции квантования по уровню и кодирования) выполняются одним групповым квантователем и кодирующим устройством;

4) цифро-аналоговое преобразование с на приемной стороне осуществляется одним I групповым декодером, который формирует групповой дискретизированный сигнал вида рис. 3.25, д.

3.2.2. Система передачи ИКМ-30

Такой вариант временного уплотнения применяется в первичных цифровых системах передачи типа ИКМ-30. Цикл передачи в этих системах поясняется на рис. 3.5.

Период цикла Tц равен периоду дискретизации телефонного сигнала Tд = 125 мкс (поскольку Fд = 8 кГц).

В интервале Тц последовательно передаются в цифровом двоичном коде выборки 30 телефонных сигналов и два служебных цифровых сигнала: цикловой синхронизации (ЦС) и сигналов управления и взаимодействия для АТС (СУВ). Каждая выборка передается в своем канальном интервале (КИ), имеет длительность кодовой комбинации Тк и состоит из m разрядов. Длительность разряда – Тт. При m = 8 получим

Канальные интервалы, нумеруемые цифрами 0, 1, 2, ..., 31, используются следующим образом: КИ0 – для передачи сигнала ЦС, КИ16 – СУВ, интервалы КИ1÷КИ15 и КИ17÷ КИ31 – для передачи соответственно 1 – 15-го и 16 – 31-го телефонных сигналов. Передача СУВ осуществляется путем организации «вынесенного сигнального канала» в отличие от большинства АСП, где СУВ передается в том же канале, что и информационный сигнал. В первичной ЦСП выборка СУВ одного абонента передается в виде 3-разрядной кодовой комбинации, при этом в одном КИ16 размещаются выборки СУВ двух абонентов. Для передачи по одному разу выборок всех 30 абонентов потребуется время Тсц = Тц (30/2 + 1) = 16 Тц = 2 мс, которое называется сверхциклом, при этом один из КИ16 в сверхцикле используется для передачи цифрового сигнала сверхцикловой синхронизации (СЦС). С помощью сигнала СЦС на приемной стороне производится разделение кодированных выборок СУВ отдельных каналов. Структурная схема приемника СУВ практически аналогична рис. 3.4.

Основными недостатками рассмотренного варианта временного уплотнения являются следующие:

1) с ростом числа объединяемых сигналов уменьшается интервал времени между соседними выборками (см. рис. 3.3, д), за которое групповой кодер (или декодер) должен произвести преобразование в цифровой сигнал (и обратно), в силу чего усложняется реализация этих групповых устройств;

Каналом связи называется совокупность технических средств и физической среды, способной к передаче посылаемых сигналов, которая обеспечивает передачу сообщений от источника информации к получателю.

Кодер-источник должен обеспечивать такое преобразование сообщений источника, при котором сигналы на его выходе, обладали бы минимальной избыточностью и позволяли бы приблизить скорость передачи к максимально возможному значению, то есть пропускной способности канала. Однако, так как в реальных каналах неизбежны помехи, то для борьбы с ними приходится дополнительно вводить кодер – канала, который обеспечивает перекодирование поступающих сообщений, чтобы повысить помехоустойчивость сообщений. На выходе линий связи (канала) должно быть предусмотрено устройство для обратного преобразования (декодирования ) сигналов, поступивших с линий связи – декодер канала , после которого должно быть предусмотрено устройство для декодирования сигналов с источника – декодер источника .

Вопросы для самопроверки

1. Какие элементы каналов передачи данных в информационных сетях являются основными?

2. Что такое оконечное оборудование данных и для чего используется?

3. Что такое среда передачи данных?

4. Для чего служит аппаратура передачи данных?

5. Для чего служит промежуточное оборудование сети?

6. Какие каналы связи по типу среды передачи Вы знаете?

7. Какими показателями характеризуются каналы связи?

8. Чем определяется удобство подключения канала связи?

9. Чем определяется пропускная способность канала связи?

10. Что характеризует закрытость передачи данных?

Основные характеристики каналов связи

Цель лекции – изучение основных характеристик каналов связи.

Задачи лекции:

Изучить

Изучить разновидности, основные характеристики каналов связи.

Вопросы, рассматриваемые на лекции:

2. Разновидности, основные характеристики каналов связи.

Основными элементами каналов передачи данных в информационных сетях являются:

Оконечное оборудование данных (ООД), которое представляет собой информационный блок осуществляющий подготовку данных, предназначенную для передачи по каналу и служащий в одном случае источником данных, в другом – приемником.

Среда передачи данных (СПД), то есть любая физическая среда, способная передавать информацию с помощью соответствующих сигналов. Может представлять электрический или оптический кабель, или открытое пространство (физическое).

Аппаратура передачи данных (АПД) которую называют аппаратурой окончания передачи данных. Представляет аппаратуру, непосредственно связывающую оконечное оборудование данных со средой передачи данных, являющееся пограничным оборудованием передачи данных. К аппаратуре передачи данных относятся модемы, сетевые адаптеры и так далее.

4. Промежуточное оборудование сети (ПОС) представляет аппаратуру, применяемую на линиях связи большой протяженностью, которая позволяет решать следующие задачи:

Улучшение качества сигнала;

Обеспечение постоянства структуры канала связи между соседними узлами сети

(мультиплексоры, повторители, трансляторы и так далее.)

Совокупность оконченного оборудования данных (ООД) и аппаратуры передачи данных (АПД) называется станцией.

Каналы принято делить на непрерывные и дискретные.

В наиболее общем случае всякий дискретный канал включает в себя непрерывный как составную часть.

Если влиянием мешающих факторов на передачу сообщений в канале можно пренебречь, то такой идеализированный канал называется каналом без помех . В таком канале каждому сообщению на входе однозначно соответствовало определенное сообщение на выходе и наоборот.

Если влиянием помех в канале пренебречь нельзя, то имеет место канал при наличии помех.

Под моделью канала понимается математическое описание канала, позволяющее оценить его характеристики, используемое при построении систем связи без проведения экспериментальных исследований.

Канал, в котором вероятности отождествления первого сигнала со вторым и второго с первым одинаковы, называется симметричным .

Каналом со стиранием называется канал, алфавит сигналов на входе которого отличается от алфавита сигналов на его выходе.

Каналом обратной связи называется дополнительный обратный канал, вводимый в СПД для повышения достоверности передачи.

Канал связи считается заданным , если известны данные по сообщению на его входе, а также ограничения, которые накладываются на входные сообщения физическими характеристиками каналов.

Для каналов передачи информации используют характеристику, называемую скоростью передачи информации по каналам, которая характеризует среднее количество информации, которое может быть передано по каналу связи в единицу времени.

Для характеристики каналов связи могут использоваться два варианта понятия скорости передачи:

– техническая скорость передачи (скорость манипуляции), характеризуется числом элементарных сигналов, передаваемых по каналу в единицу времени. Она зависит от свойств линий связи и быстродействия аппаратуры каналов. Единицей измерениятехнической скорости служит 1 Бод=1 симв/1 сек.

– информационная скорость передачи определяется средним количеством информации, передающейся в единицу времени. Эта скорость зависит как от характеристик данного канала, так и от характеристик используемых сигналов [бит/с];

Среднее количество информации, выдаваемое источником сообщений в единицу времени называется производительностью источника.

Пропускной способностью канала связи называется наибольшая скорость передачи информации по этому каналу, достигаемая при самых совершенных способах передачи информации и приема.

Пропускная способность, как и скорость передачи информации, измеряется количеством передаваемой информации в единицу времени.

В телекоммуникационных системах (ТКС) находят наиболее широкое распространение виды каналов связи:

Симплексные каналы связи (КС) представляет такое представление обмена информацией между передатчиком и приемником, когда по одиночной линии связи (каналу) передаются сообщения только в одном направлении. Такой канал называется симплексным или невзаимные системы .

Полудуплексные каналы связи (режимы работы) в этом случае 2 узла связи соединены одним каналом связи (линией связи), но по этому каналу происходит передача информации поочередно (попеременно) в противоположных направлениях – так организован режим работы.

Дуплексный канал связи предполагает - одновременно два узла связи соединены двумя каналами (прямым и обратным), по которым информация передается одновременно в противоположных направлениях.

Симплексный тип канала связи используется в теле – и радиосетях.

Полудуплексный метод используется в информационно – справочных и запросо-ответных системах.

Дуплексный канал связи используется в системах с РОС и ИОС.

В телекоммуникационных системах различают выделенные (некоммутируемые) и коммутируемые на время передачи канала связи.

В выделенных каналах связи приемо – передающая аппаратура узлов связи постоянно соединена между собой. Это обеспечивает высокую степень готовности, более высокое качество передачи (связи) и поддержка большого объема трафика.

В силу относительно более высоких расходов на эксплуатацию сетей с выделенными каналами связи их рентабельность достигается при достаточно полной загрузки каналов связи.

Коммутируемые каналы связи организуются только на время передачи некоторого фиксированного объема информации. Для таких каналов характерна высокая гибкость и сравнительно небольшая стоимость (при малом объеме трафика).

Системы передачи данных (СПД) без канала обратной связи позволяют в принципе достигать желаемой верности передачи информации путем использования соответствующих корректирующих кодов. Платой за обеспечение желаемой достоверности служит существенное увеличение длины комбинаций, а также существенное усложнение аппаратуры.

Недостатком систем без обратной связи является также и то, что источник не получает никаких подтверждений о том как принята информация в приемнике . Поэтому в таких системах предъявляются очень высокие требования к надежности используемой аппаратуры. Исходя из этого, системы без обратной связи применяются, в первую очередь, тогда, когда невозможно организовать канал обратной связи или недопустимы задержки при передаче информации . В силу указанных обстоятельств широкое распространение получили системы с обратной связью (адаптивное управление), в которых достоверность передачи повышается за счет обнаружения ошибок на приемной стороне и с повторением только неправильно принятых кодовых комбинаций. При этом избыточность будет минимальной при отсутствии ошибок и будет увеличиваться с ростом их числа. Системы с обратной связью, в зависимости от способа организации обратной связи, делятся на системы с информационной обратной связью и с решающей обратной связью.

Классификация сигналов. Их характеристики.

Под сигналом понимают физический процесс, который осуществляет перенос информации во времени и пространстве. Сигналы описываются математическими моделями , отражающими общие свойства различных по физической природе процессов. Чаще всего сигналы представляются функциональными зависимостями, в которых аргументом является время либо некоторая пространственная переменная . Функции, описывающие сигналы, могут принимать как вещественные , так и комплексные значения.

Сигнал, описываемый функцией одной переменной, называется одномерным , а сигнал, описываемый функцией независимых переменных - многомерным . Например, яркость изображения - двумерный сигнал.

Сигнал называется казуальным , если он имеет точку отсчета (начало во времени).

Финитные сигналы - это сигналы конечной длительности, т.е. существующие на конечном временном интервале. Они отличны от нуля на этом интервале и равны нулю за его пределами.

Сигналы также бывают (рис 2):

Непрерывные (аналоговые);

Дискретные во времени;

Квантованные по величине и непрерывные во времени;

Квантованные по величине и дискретные во времени (цифровые).

a) непрерывные сигналы б) дискретные во времени сигналы

в) сигналы, квантованные по величине г) сигналы, квантованные по

и непрерывные во времени величине и дискретные во времени

Рис 2. Виды сигналов.

Иной признак классификации сигналов основан на возможности или невозможности предсказания точных значений сигнала в любой момент времени или в любой точке пространственной координаты. Соответственно, сигналы, для которых возможно указанное предсказание, называются детерминированными , а сигналы, для которых невозможно точно предсказать значения - случайными . Случайные сигналы описываются случайными функциями, значения которых при каждом данном значении аргумента представляются случайными величинами. Случайную функцию времени называют случайным процессом . При одном наблюдении случайного процесса получают определенную функциональную зависимость, которую называют реализацией . Примером реализации случайного процесса может служить отрезок сигнала , зарегистрированный на выходе микрофона при произнесении какого-либо шипящего звука. Примером детерминированного сигнала является гармоническое колебание .

Если случайный сигнал носит вероятностный характер, то на основании методов теории вероятности можно определить его статистические характеристики.

Вероятность того, что величина попадает в заданный интервал, определяется выражением:

, (1)

где – границы возможных значений;

– представляет собой дифференциальный закон распределения случайной величины и называется одномерной плотностью вероятности;

– интегральная функция распределения случайной величины.

Для практических приложений важны следующие статистические характеристики случайной величины :

1) Математическое ожидание случайной величины:

, (2)

если события равновероятны, то математическое ожидание равно среднему арифметическому

2) Дисперсия случайной величины (отклонение от среднего):

если события равновероятны:

.

3) Среднее квадратическое отклонение (СКО):

Стационарным процессом называется процесс, если его -мерный закон распределения зависит от интервала времени , но не зависит от положения на числовой оси. Для строго стационарных процессов математическое ожидание и дисперсия не зависят от времени.

При рассмотрении случайных величин следует различать статистические характеристики, определенные по совокупности и по времени. В первом случае характеристики определяются на основании наблюдения над многими одинаковыми объектами в один и тот же момент времени, а во втором случае – на основании наблюдения над одним объектом в течение достаточно длительного времени. Случайный процесс называется эргодическим , если при определении любых статистических характеристик усреднение по совокупности и по выборке равно усреднению по времени.

Корреляция – величина схожести двух сигналов. Если сравниваются два разных сигнала, то мерой их схожести является взаимно-корреляционная функция . Если сигнал сравнивается сам с собой, то степень схожести определяется автокорреляционной функцией .

Основными характеристиками детерминированных сигналов являются его энергетические характеристики.

Энергетические характеристики сигналов:

1. Мгновенная (текущая) мощность: . (5)

2. Энергия: . (6)

3. Средняя мощность на интервале:

. (7)

4. Если сигнал равен сумме двух сигналов:

,

,

. (8)

Взаимная энергия и мощность двух сигналов характеризуют степень схожести двух сигналов .

5. Если сигналы совпадают, взаимная энергия увеличивается в 4 раза, и такие системы называются когерентными :

6. Если взаимная мощность или взаимная энергия двух сигналов равна нулю (т.е. или ) то такие сигналы называют ортогональными . Из ортогональности по энергии всегда следует ортогональность по мощности, но не наоборот:

7. Если сигналы не полностью совпадают, то они называются частично совпадающими сигналами.

При цифровой обработке сигналов часто используют такие специальные функции как функция Хэвисайда и -функция Дирака

1) Функция единичного сигнала (функция Хэвисайда) определяется:

Используется при создании сигналов конечной длительности:

В MATLAB данную функцию можно смоделировать с помощью оператора сравнения .

2) -функция или функция Дирака – бесконечно узкий импульс с бесконечной амплитудой и единичной площадью :

Важное свойство -функции – ее фильтрующее свойство:

. (10)

Лекция №2. Основы анализа сигналов.

Сигнал на интервале может быть записан в форме обобщенного ряда Фурье :

. (1)

Если – вектор, то последнее выражение можно интерпретировать как разложение по некоторому базису, а коэффициенты могут рассматриваться как проекции вектора на координатные оси, заданные системой функций , образующих базис .

Для того чтобы разложение было возможно, исходный сигнал и система функций должны удовлетворять определенным условиям :

Во-первых , сигнал должен принадлежать множеству квадратично-интегрируемых на отрезке сигналов.

Как уже отмечалось выше, передаваемые сигналы однозначно связаны с передаваемыми сообщениями. Математическим описанием сигнала является некоторая функция времени s (t ). Сигналы связи можно классифицировать по нескольким признакам.

В теории сообщений сигналы в первую очередь принято делить на детерминированные (регулярные) и случайные. Сигнал называется детерминированным, если он может быть описан известной функцией времени. Следовательно, под детерминированным понимается такой сигнал, который соответствует известному передаваемому сообщению и который можно точно предсказать заранее за сколь угодно большой промежуток времени. Детерминированные сигналы принято подразделять на периодические, почти периодические и непериодические.

В реальных условиях сигнал в месте приема заранее неизвестен и не может быть описан определенной функцией времени. Принимаемые сигналы имеют непредсказуемый, случайный характер вследствие нескольких причин. Во-первых, потому, что регулярный сигнал не может нести информации. Действительно, если бы о передаваемом сигнале было известно все, то его незачем было бы передавать. Обычно на приемной стороне известны лишь некоторые параметры сигнала. Во-вторых, сигналы имеют случайный характер вследствие различного рода помех как внешних (космических, атмосферных, индустриальных и др.), так и внутренних (шумы ламп, сопротивлений и т.д.). Принимаемый сигнал искажается также вследствие прохождения через линию связи, параметры которой часто являются случайной функцией времени.

Моделью сигнала связи является не одна функция времени s (t ) , а набор некоторых функций, представляющих собой случайный процесс. Каждый конкретный сигнал является однойизреализаций случайного процесса, которую можно описать детерминированной функцией времени. Часто ансамбль возможных сообщений (сигналов) получателю известен. Задача состоит в том, чтобы по принятой реализации смеси сигнала с помехами определить, какое сообщение из заданного ансамбля было передано.

Таким образом, передаваемый сигнал необходимо рассматривать как множество функций, являющихся реализациями случайного процесса. Статистические характеристики этого процесса полностью описывают свойства сигнала. Однако решение многих конкретных задач становится в этом случае затруднительным. Поэтому изучение сигналов и их прохождение через различные цепи целесообразно начинать с отдельных реализации как детерминированных функций.

Полное описание сигнала не всегда необходимо. Иногда для анализа бывает достаточно нескольких обобщенных характеристик, наиболее полно отражающих свойства сигнала. Одной из важнейших характеристик сигнала является его длительность Т, которая определяет необходимое время работы канала и просто связана с количеством сведений, передаваемых этим сигналом. Второй характеристикой является ширина спектра сигнала F , которая характеризует поведение сигнала на протяжении его длительности, скорость его изменения. В качестве третьей характеристики можно было бы ввести такую, которая определяла бы амплитуду сигнала на протяжении его существования, например, мощность. Однако мощность сигнала Р с сама по себе не определяет условия его передачи по реальным каналам связи с помехами. Поэтому сигнал принято характеризовать отношением мощностей сигнала и помехи:

которое называют превышением сигнала над помехой или отношением сигнал/шум.

Часто используется также характеристика сигнала, называемая динамическим диапазоном ,

которая определяет интервал изменения уровней сигнала (например, громкости при передаче телефонных сообщения) и предъявляет соответствующее требования к линейности тракта. С этой стороны сигнал можно охарактеризовать так называемым пикфактором

представляющим собой отношение максимального значения сигнала к действующему. Чем больше пикфактор сигнала, тем хуже будут энергетические показатели радиотехнического устройства.

С точки зрения произведенных над сообщениями преобразований сигналы принято делить на видеосигналы (немодулированные) и радиосигналы (модулированные). Обычно спектр видеосигнал сосредоточен в низкочастотной области. При использовании модуляции видеосигнал называют модулирующим. Спектр радиосигнала сосредоточен около некоторой средней частоты в области высоких частот. Радиосигналы могут передаваться в виде электромагнитных волн.

В заключение параграфа коротко охарактеризуем сигналы, используемые при различных видах связи. На рис. 1.2 показан видеосигнал в виде непрерывной импульсной последовательности. Такой сигнал формируется при телеграфных видах работы с использованием пятизначного двоичного кода. Ширина полосы частот, используемая для передачи таких сигналов, зависит от скорости телеграфирования и равна, например, 150-200 Гц при использовании телеграфного аппарата СТ-35 и передаче 50 знаков в секунду. При передаче телефонных сообщений сигнал представляет собой непрерывную ф
ункцию времена, как это показано на рис. 1.2 б.

В
коммерческой телефонии сигнал обычно передается в полосе частот от 300 Гц до 3400 Гц. В вещании для качественной передачи речи и музыки требуется полоса частот примерно от 40 Гц до 10 кГц. При передаче неподвижных изображений с помощью фототелеграфа сигнал имеет вид, показанный на рис. 1.З а.

Он представляет собой ступенчатую функцию. Число возможных уровней равно числу передаваемых томов и полутонов. Для передачи используют один или несколько стандартных телефонных каналов. При передаче подвижных изображений в телевидении с использованием 625 строк разложения требуется полоса частот от 50 Гц до 6 МГц. Сигнал при этом имеет сложную дискретно – непрерывную структуру. Модулированные сигналы имеют вид, показанный на рис.1.3 б (при амплитудной модуляции).

Характеристики сигналов связи

Сообщения и соответствующие им сигналы по своей структуре могут быть непрерывными или дискретными.

Непрерывные сигналы определяются бесконечным множеством значений на конечном интервале времени. Такие сигналы описываются на некотором достаточно большом интервале времени непрерывными функциями времени. Типичным примером непрерывного сигнала может служить телефонный сигнал, отображающий речь, музыку, изменение температуры и т. д. (рис. 1.2).

Дискретными называются сигналы, характеризующиеся конечным числом значений на интервале времени их существования. Примером дискретного сигнала могут служить сигналы телеграфной связи, отображающие буквы алфавита и знаки определенными сочетаниями дискретных состояний сигнала (рис. 1.3).

Рис. 1.2. Телефонный сигнал Рис. 1.3. Телеграфные сигналы

Следует отметить, что и любой непрерывный сигнал для передачи сообщения с определенной точностью можно дискретизировать. Эта возможность основана на том, что все реальные сигналы имеют ограниченные спектры частот, т. е. описываются функциями с конечным множеством значений на конечном интервале времени.

Функции, описывающие сигналы связи, могут быть периодическими и непериодическими функциями времени. Из курса теории радиосигналов известно , что сигнал (функция) любого вида может быть разложен на гармонические составляющие: периодические сигналы – с помощью рядов Фурье, непериодические – с помощью интеграла Фурье.

Совокупность амплитуд гармонических составляющих называется спектром амплитуд или просто спектром сигнала.

Для анализа сигналов удобнее пользоваться не полными аналитическими описаниями сигналов (полная реализация которых не всегда возможна), а некоторыми обобщенными показателями или параметрами.

Такими обобщенными физическими параметрами сигнала являются:

– длительность сигнала Т С ;

–ширина спектра частот ;

– динамический диапазон D C ;

Длительность Т С характеризует время существования сигнала и, следовательно, время, на которое необходимо предоставить канал связи для передачи сигнала.

Ширина спектра частот характеризует форму сигнала и полосу пропускания канала, которую необходимо иметь для передачи сигнала по каналу.

Динамический диапазон сигнала Д характеризует превышение мощности сигнала P C над мощностью соответствующих сигналу помех P П , записанное в логарифмической форме:

Более точно динамическим диапазоном сигнала следует считать логарифм отношения его наибольшей мгновенной мощности и наименьшей мгновенной мощности. Но так как в канале связи минимальная мощность сигнала всегда должна превышать мощность помех, то в качестве обобщенного параметра выбрано превышение сигнала над помехой.

Виды модуляции

Виды модуляции

Передача первичных сигналов связи в исходном виде осуществляется только по проводным линиям небольшой протяженности. При организации дальней проводной и радиосвязи необходимо пользоваться специальным переносчиком - вспомогательным высокочастотным (обычно гармоническим) колебанием, с помощью которого первичные сигналы преобразуются в радиосигналы. Процесс преобразования непрерывных первичных сигналов в радиосигналы называют модуляцией, а дискретных первичных сигналов – манипуляцией.

Модуляцией (манипуляцией) называется процесс взаимодействия двух колебаний (НЧ и ВЧ), при котором изменяется один или несколько параметров высокочастотного колебания (амплитуда, частота, фаза) по закону первичного низкочастотного колебания.

В зависимости от того, какой из параметров изменяется под воздействием модулирующего сигнала, различают три основных вида модуляции: амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ).

Указанными видами модуляции не исчерпываются технические возможности передачи сообщений по радиоканалам. Например, в технике радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи широко применяются различные виды импульсной модуляции, при которых параметры периодической последовательности коротких импульсов (амплитуда, длительность, частота следования) изменяются по закону модулирующего колебания.

В технике военной радиосвязи для передачи непрерывных сообщений широко используются амплитудная, однополосная и частотная модуляции. Для передачи дискретных сообщений находят применение амплитудная, частотная и фазовая манипуляции.

Амплитудная модуляция

При амплитудной модуляции амплитуда несущего колебания изменяется в соответствии с изменением мгновенного значения модулирующего сигнала. На рис. 1.5 представлены формы модулирующего, модулируемого и амплитудно-модулированных сигналов.

Для простоты анализа в качестве модулирующего первичного сигнала взято гармоническое колебание низкой частоты W. В качестве модулируемого колебания взято высокочастотное колебание несущей частоты w. Амплитудно-модулированное (АМ) колебание представляет собой высокочастотное колебание, амплитуда которого изменяется по закону изменения напряжения низкой частоты.

Степень воздействия модулирующего колебания на колебание несущей частоты оценивается коэффициентом (глубиной) амплитудной модуляции, который определяется выражением

где – амплитуда несущего высокочастотного колебания;

– превышение амплитуды АМ колебания над амплитудой несущего колебания.

Рис. 1.5. Принцип амплитудной модуляции

Амплитудно-модулированное колебание является сложным и не является простой суммой колебаний высокой и низкой частот. Покажем это.

Пусть колебания высокой и низкой частот являются гармоническими и определяются выражениями:

.

В процессе модуляции амплитуда напряжения ВЧ сигнала изменяется по закону низкочастотного сигнала:

Тогда мгновенное значение модулированного напряжения можно записать в виде

Применив тригонометрическую формулу

Полученный результат показывает, что АМ колебание представляет собой сумму трех высокочастотных колебаний, имеющих частоты , и , и не содержит в себе низкой частоты W полезного сигнала.

Частоты и называются соответственно верхней и нижней боковыми частотами. Амплитуды колебаний боковых частот не превышают половины (при т = 1) амплитуды несущей частоты. Спектральный состав амплитудно-модулированного колебания показан на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Спектр АМ сигнала

Выше был рассмотрен спектр модулированного сигнала, когда в качестве первичного сигнала принималось простое гармоническое колебание. Реальные сигналы различных видов связи (телефонных и телеграфных) являются сложными и в частотном спектре занимают определенную полосу.

Как правило, передаваемый сигнал не является гармоническим и состоит из большого количества синусоидальных колебаний с разными амплитудами и частотами:

.

Поэтому и в структуре модулированного сигнала вместо боковых частот появятся боковые полосы. Очевидно, что спектр АМ сигнала в этом случае будет иметь в своем составе несущую частоту со и две боковых полосы частот: верхнюю , и нижнюю , (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Структура спектра телефонного АМ сигнала

Ширина полосы частот АМ телефонного сигнала может быть определена как разность между наибольшей верхней боковой частотой и наименьшей нижней боковой частотой:

т. е. ширина полосы АМ телефонного сигнала вдвое больше наивысшей частоты спектра первичного сигнала звуковой частоты. Считая F B = 3400 Гц, получим ширину спектра, равную DF c = 6800 Гц.

Колебание несущей частоты имеет постоянную амплитуду и не содержит в себе полезного сигнала. Передавать это колебание, в принципе, не обязательно. Несущая частота нужна в приемнике лишь для того, чтобы восстановить форму первичного сигнала. Полная информация о передаваемом сигнале заключена в равной степени в каждой из боковых полос частот.

Таким образом, недостатками амплитудной модуляции являются:

1. Широкая занимаемая полоса частот: она вдвое превышает ширину спектра передаваемого сигнала. Уменьшение полосы частот позволило бы увеличить количество каналов (рабочих частот) в пределах данного диапазона.

2. Нерациональное использование мощности передатчика. Действительно, амплитуда колебаний боковой частоты определяется выражением

где m - коэффициент амплитудной модуляции.

Несложно показать, что отношение между мощностями колебаний несущей и боковой частот будет равно

Поскольку m 1, то мощность, затрачиваемая на излучение колебаний несущей частоты, значительно превышает полезную мощность, затрачиваемую на излучение колебаний боковых частот. Реально на передачу полезной информации расходуется около 10 % мощности передатчика .

Недостатки, свойственные амплитудной модуляции, устраняются при переходе к так называемой однополосной модуляции.

Однополосная модуляция

Вид модуляции, при которой в спектре АМ сигнала сохраняется лишь одна боковая полоса, называется однополосной модуляцией (ОМ), а само колебание называется однополосно-модулированным сигналом.

Из анализа выражения (1) следует, что однополосная модуляция является особым видом амплитудно-частотной (фазовой) модуляции, при которой амплитуда высокочастотного колебания изменяется по закону изменения мгновенных амплитуд модулирующего сигнала (первичного электрического сигнала), а изменение частоты (фазы) происходит в соответствии с законом изменения мгновенной частоты модулирующего сигнала.

В настоящее время при работе в телефонном режиме на частотах до 20...30 МГц однополосная модуляция является основным видом управления колебаниями в радиопередатчиках.

Однополосная модуляция (ОМ) имеет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с применявшейся ранее амплитудной модуляцией (АМ).

Во-первых, ширина спектра сигнала при ОМ сокращается вдвое по сравнению со спектром сигнала при АМ, что позволяет в два раза увеличить число рабочих частот в одном и том же диапазоне и уменьшить вдвое мощность шума на выходе радиоприемника, что в свою очередь приводит к улучшению помехозащищенности канала связи.

Во-вторых, при однополосной модуляции повышается эффективность использования мощности передатчика, так как отпадает необходимость затраты электроэнергии на генерирование мощных колебаний несущей частоты. При заданной мощности передатчика это эквивалентно увеличению дальности связи. Переход от АМ к ОМ обеспечивает общий энергетический выигрыш примерно в 8 раз .

Еще одним достоинством однополосной модуляции является более высокий промышленный КПД, поскольку в паузах передачи информации несущая не генерируется и, следовательно, снижается потребление энергии от источников питания. Чем мощнее передатчик, тем больше выигрыш в потреблении энергии. Так, например, расход электроэнергии при АМ составляет 3,5...4,5 кВт на 1 кВт полезной мощности, а при ОМ – всего от 1,1 до 2 кВт.

Наряду с достоинствами однополосной модуляции следует отметить некоторые трудности ее технической реализации.

Для демодуляции однополосного сигнала в приемном устройстве на детектор (демодулятор) приемника необходимо подать колебание несущей частоты. В противном случае информация о частоте первичного сигнала будет потеряна. Источником колебания восстановленной несущей является специальный гетеродин, причем частота этой несущей должна быть восстановлена с высокой степенью точности ( 25 Гц).

Вторая трудность внедрения однополосных сигналов в практику связана с необходимостью подавления несущей и второй боковой полосы частот в тракте передачи.

Существует несколько способов формирования однополосных радиосигналов: фильтровый, фазофильтровый, фазокомпенсационный, синтетический и др. В настоящее время широкое применение находит фильтровый способ, который предполагает выделение с помощью фильтров одной из боковых полос амплитудно-модулированного сигнала.

Несмотря на указанные технические трудности, однополосная модуляция нашла широкое применение в коротковолновой военной радиосвязи.

Частотная модуляция

При частотной модуляции (ЧМ или РЗ) амплитуда модулированного несущего колебания остается неизменной, а меняется только его частота в соответствии с изменением амплитуды первичного сигнала. На рис. 1.8 показаны формы исходного (модулирующего) и частотно-модулированного сигналов.

Максимальное отклонение частоты от среднего значения несущей называется девиацией частоты:

Отношение

называется индексом частотной модуляции. Здесь W, (F ) – частота первичного сигнала.

Рис. 1.8. Принцип частотной модуляции

Также как АМ колебание, частотно-модулированное колебание является сложным. Разложение ЧМ сигнала на гармонические составляющие требует достаточно сложных математических преобразований с использованием функции Бесселя.

Выполнение этих преобразований показывает, что спектр колебания при частотной модуляции состоит из колебаний с частотами w 0 (f 0 ) и бесконечного числа боковых частот, расположенных попарно симметрично относительно несущей частоты w 0 и отличающихся от последней на n W, где n - любое целое число.

Амплитуды боковых составляющих определяются выражением

,

где – амплитуда ВЧ колебания;

– функция Бесселя n -го порядка от аргумента .

Пример спектра ЧМ сигнала показан на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Спектр ЧМ сигнала

По величине индекса частотной модуляции различают:

– узкополосную ЧМ, когда < 1, т.е. < F ;

– широкополосную ЧМ, когда >1, т.е. > F ;.

Теоретически спектр ЧМ колебаний бесконечно широк. Практически, начиная с некоторых частот, амплитуды гармоник столь малы, что ими можно пренебречь. На этом основании ширина спектра ЧМ колебаний определяется как диапазон частот, расположенный симметрично относительно несущей, за пределами которого нет гармоник с амплитудами, превосходящими 0,01 .

Приближенно ширина спектра определяется формулой

Например, при девиации частоты = 5 кГц и наивысшей частоте спектра звукового сигнала F = 3,4 кГц, принятых для военной радиосвязи, ширина спектра ЧМ сигнала составит DF C » 2(5+3,4)=16,8 кГц.

При большом индексе частотной модуляции, когда >>1, формула (2) принимает вид

,

т. е. ширина спектра практически равна удвоенной девиации частоты.

При малом индексе частотной модуляции << 1ширина спектра будет равна

т. е. составит такую же величину, как и при амплитудной модуляции.

В технике радиосвязи при работе в телефонном режиме на частотах выше 20...30 МГц частотная модуляция нашла широкое применение, а в УКВ радиостанциях малой мощности (до 100 Вт) она является основным видом модуляции. Сигналы при ЧМ имеют более широкий спектр, чем при ОМ, но это обстоятельство при большой частотной емкости диапазона не является решающим при выборе вида модуляции. Кроме того, аппаратура, где применяется только частотная модуляция, значительно упрощается, что очень важно для маломощных радиостанций.

1. Назначение и основные эксплуатационно-технические
характеристики радиопередатчика

Радиопередатчиком называется радиотехническое устройство, преобразующее первичные электрические сигналы в радиосигналы определенной мощности, необходимой для обеспечения радиосвязи на заданное расстояние с требуемой надежностью.

Независимо от вида передаваемых сигналов передатчик выполняет следующие функции:

1) формирование сетки (множества) высокочастотных несущих колебаний в рабочем диапазоне с заданной дискретностью;

2) модуляция (или манипуляция) несущих колебаний по закону передаваемых первичных сигналов;

3) усиление сформированных радиосигналов до заданной мощности за счет энергии местных источников питания;

4) преобразование усиленных радиосигналов в электромагнитные волны.

В состав любого радиопередатчика, обобщенная структурная схема которого представлена на рис.2.1, входят следующие основные элементы: возбудитель, усилитель мощности, согласующее антенное устройство и система электропитания.

Рис. 2.1. Структурная схема радиопередатчика

Основными техническими характеристиками любого радиопередатчика являются:

– диапазон и количество рабочих частот;

– виды радиосигналов;

– мощность и коэффициент полезного действия;

– стабильность частоты излучаемых радиосигналов;

– уровень побочных излучений;

– время перестройки передатчика с одной частоты на другую.

1. Диапазон рабочих частот характеризуется двумя параметрами: граничными частотами диапазона и , а также коэффициентом перекрытия диапазона по частоте

.

В УКВ диапазоне обычно не превышает 1,3 (в некоторых случаях может достигать величины 3,0). Для передатчиков КВ диапазона значение коэффициента перекрытия колеблется в пределах 10-20.

При заданном интервале между соседними частотами (шаге сетки) диапазон частот определяет общее количество рабочих частот N, на которое может быть настроен передатчик:

Обычно интервалы между соседними частотами равны 0,01; 0,1; 1,0; 10 и
25 кГц.

2. Виды радиосигналов, используемых для радиосвязи, можно разделить на две группы: телефонные, формируемые в процессе модуляции, и телеграфные, формируемые в процессе манипуляции.

В настоящее время при формировании телефонных радиосигналов наиболее широко используются методы однополосной (ОМ) и частотной (ЧМ) модуляции и практически не применяются устаревшие методы амплитудной (АМ) модуляции. При работе телеграфными радиосигналами применяются методы амплитудного (АТ), частотного (ЧТ и ДЧТ) и относительного фазового (ОФТ) телеграфирования.

3. Мощность радиопередатчика является одной из важнейших характеристик и в значительной степени определяет уровень сигнала в точке приема, а следовательно, дальность радиосвязи и ее надежность. Под мощностью радиопередатчика понимается средняя мощность радиосигнала, подводимая к передающей антенне.

Для всех видов телефонных радиосигналов (кроме ОМ) средняя мощность измеряется при отсутствии первичного сигнала (в режиме молчания). Для телефонных радиосигналов с ОМ мощность радиопередатчика определяется пиковой мощностью радиосигнала при максимальном (пиковом) значении первичного модулирующего сигнала. При работе радиопередатчиков телеграфными радиосигналами мощность оценивается средней мощностью, подводимой к антенне при передаче положительной (токовой) посылки первичного электрического сигнала или, как принято говорить, «в режиме нажатого ключа».

Общий (промышленный) КПД радиопередатчика определяется отношением мощности, подводимой к антенне, к общей мощности, потребляемой его цепями от первичного источника питания. В современных радиопередатчиках средней и большой мощности общий КПД составляет 25...30 % .

4. Стабильность частоты излучаемых радиосигналов определяет устойчивость и надежность радиосвязи, обеспечивает вхождение в связь без поиска корреспондентов и без подстройки приемника. Количественно стабильность частоты оценивается либо абсолютной, либо относительной нестабильностью.

Под абсолютной нестабильностью частоты понимается разность между ее текущим (измеренным) значением/и номинальным (требуемым) значением :

Относительная нестабильность частоты позволяет сравнивать передатчики, работающие в различных диапазонах, и определяется отношением абсолютной нестабильности к номинальному значению частоты, на котором осуществляется измерение:

Относительная нестабильность частоты современных радиопередатчиков составляет = 10 -6 ... 10 -7 и выше.

Принято различать два вида побочных излучений: излучения на гармониках основной частоты, возникающие в результате нелинейного режима усиления радиосигнала в УМ, и излучения на комбинационных частотах, возникающие в результате нелинейных преобразований при формировании сигналов на рабочей частоте в возбудителе. Последние являются наиболее опасными, поскольку могут находиться в непосредственной близости от спектра основного радиосигнала и практически не фильтруются в усилительных каскадах передатчика.

Относительный уровень побочных излучений оценивается отношением мощности побочного излучения Р пи к мощности основного излучения Р А и выражается в децибелах:

В соответствии с современными требованиями гармоники основного излучения (вторые и более высокие) должны быть подавлены на выходе радиопередатчика не менее чем на 65 дБ.

Нормы по подавлению комбинационных частот следующие:

¨ в полосе частот, отстоящих от спектра основного сигнала на
(± 3,5)…(± 25) кГц – не менее 80 дБ;

¨ 4 от ± 25 кГц и до ± 10 % от установленной частоты – не менее 120 дБ;

¨ свыше ± 10 % от установленной частоты – не менее 140 дБ.

6. Время перестройки передатчика с одной частоты на другую в значительной степени определяет надежность радиосвязи, особенно в условиях сложной помеховой обстановки. Современные радиопередатчики, имеющие системы заранее подготовленных частот (ЗПЧ), обеспечивают перестройку с одной ЗПЧ на другую в течение единиц секунд. В настоящее время предъявляются более жесткие требования к указанной характеристике. Так, при использовании радиостанций в частотно-адаптивных радиолиниях время перестройки должно ограничиваться единицами миллисекунд.

Кроме рассмотренных выше характеристик важное значение имеют также эксплуатационные и конструктивные характеристики радиопередатчиков:

– время готовности к работе, которое измеряется с момента включения радиопередатчика и до момента достижения номинальных значений параметров, в том числе требуемой стабильности частоты. В зависимости от типов радиопередатчиков и используемых в них усилительных элементов это время составляет от единиц секунд до десятков минут;

– время непрерывной работы. Радиопередатчики большой мощности, как правило, должны быть рассчитаны на непрерывную работу в течение суток, средней мощности - на непрерывную работу в течение нескольких часов, а для переносных радиостанций в ряде случаев предусматривается работа в течение меньших отрезков времени. Эта характеристика определяет выбор источников питания, системы охлаждения и конструкции выходных каскадов усилителей мощности;

– надежность, оцениваемая наработкой на отказ, которая должна составлять для серийно выпускаемых радиопередатчиков средней и большой мощности на втором году их эксплуатации 2.. .3 тыс. ч;

– устойчивость к механическим воздействиям (вибростойкость, ударо-стойкость) и независимость работы радиопередатчика от климатических условий. Эти требования вытекают из необходимости надежной работы радиопередатчика в различных, порой весьма сложных условиях эксплуатации;

– габариты, масса и т. д.

Требования к основным техническим характеристикам современных радиопередатчиков чрезвычайно высоки и обычно находятся в противоречии.

Синтезаторы частот

Практические схемы синтезаторов частот (в дальнейшем просто синтезаторов) весьма разнообразны. Несмотря на это, можно отметить общие принципы, лежащие в основе построения современных синтезаторов:

– современные синтезаторы содержат, как правило, один опорный кварцевый генератор, частоту колебаний которого называют первичной опорной частотой;

– широкое применение делителей, умножителей, преобразователей частоты и датчиков опорных частот, обеспечивающих синтез сетки частот с использованием одного опорного колебания;

– обеспечение синтезаторами принципа декадной установки частоты возбудителя.

По методам образования выходных колебаний системы синтеза частот можно разделить на два класса:

1) системы прямого (пассивного) синтеза частот;

2) системы косвенного (активного) синтеза частот.

Системы прямого синтеза не содержат автогенераторов и предполагают получение заданных выходных частот из частоты опорного генератора путем простых арифметических действий над ней: умножения, деления, сложения и вычитания. Появляющиеся при этом побочные колебания ослабляются непосредственной фильтрацией с помощью перестраиваемых или коммутируемых полосовых фильтров.

В системах, косвенного синтеза для получения выходных частот используется дополнительный автогенератор с параметрической стабилизацией частоты. Нестабильность частоты этого автогенератора устраняется различными методами, которые будут рассмотрены ниже.

Системы синтеза частот того или другого класса могут быть выполнены на аналоговых элементах или с использованием цифровой элементной базы. Системы синтеза частот, осуществляемого цифровыми методами, называют системами цифрового синтеза, а устройства, использующие такие системы, – цифровыми синтезаторами.

Цифровые синтезаторы частот

Широкое использование логических интегральных схем в технике связи обусловило появление новых типов синтезаторов частот, которые принято называть цифровыми. Наибольшее распространение получили цифровые синтезаторы, выполненные по методу косвенного синтеза с фазовой автоматической подстройкой частоты.

Наиболее простая схема цифрового синтезатора с системой ИФАП представлена на рис. 2.9.

В состав схемы входят управляемый генератор (УГ), формирующие устройства (ФУ), делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД), импульсно-фазовый детектор (ИФД) и ФНЧ.

Рис. 2.9. Система ИФАП цифрового синтезатора частоты

Колебания УГ, преобразованные с помощью формирующего устройства в импульсную последовательность той же частоты, поступают на ДПКД. На выходе делителя имеет место последовательность импульсов с частотой следования , где N - коэффициент деления ДПКД, величина которого изменяется в необходимых пределах внешними органами управления. Последовательность с выхода ДПКД поступает на вход ИФД, где сравнивается с эталонной импульсной последовательностью.

На выходе ИФД выделяется управляющее напряжение, зависящее от разности фаз (частот) сравниваемых колебаний, и приводит систему в стационарное состояние, при котором соблюдается условия:

Из приведенного выражения видно, что выходная частота генератора полностью определяется эталонной частотой и установленным значением коэффициента деления N. При этом относительная нестабильность частоты УГ определяется относительной нестабильностью частоты опорного колебания.

Таким образом, применение цифровых элементов позволило заменить преобразователи частоты делителями, что существенно уменьшает уровень побочных колебаний на выходе синтезатора. Кроме того, использование ДПКД резко увеличило полосу схватывания системы ФАП, поэтому в сравнительно узкодиапазонных синтезаторах не требуется применение систем автопоиска.

Рассмотренные выше синтезаторы частот, независимо от методов их построения, находят широкое применение не только в возбудителях радиопередатчиков, но и в целом ряде различных радиотехнических устройств. В супергетеродинных радиоприемниках синтезаторы частот выполняют функции гетеродинов. Синтезаторы широко используются в измерительных приборах (генераторах, частотомерах, анализаторах спектра и пр.), в телеметрических устройствах, в различных приборах, предназначенных для физических исследований, и т. д.

4. Тракты формирования радиосигналов

Одной из функций возбудителя является преобразование первичных электрических сигналов в высокочастотные сигналы (радиосигналы). Это преобразование рассматривается как формирование радиосигналов.

В современных военных радиостанциях широко используются следующие виды радиосигналов:

¨ телефонные с однополосной модуляцией (ОМ);

¨ телефонные с частотной модуляцией (ЧМ);

¨ телеграфные с амплитудной манипуляцией (АТ – амплитудное телеграфирование);

¨ телеграфные с частотной манипуляцией (ЧТ – частотное телеграфирование);

¨ телеграфные с двойной частотной манипуляцией (ДЧТ);

¨ телеграфные с относительной фазовой манипуляцией (ОФТ).

Каждый вид радиосигналов требует специальных устройств, которые реализуют тот или иной метод формирования. Все формирующие устройства обычно объединяются в один конструктивный и функциональный блок – блок формирования радиосигналов (БФС).

Независимо от вида формируемых радиосигналов к БФС предъявляются следующие общие требования:

– минимальный уровень нелинейных и частотных искажений первичного сигнала в процессе формирования радиосигнала;

– минимальный уровень побочных колебаний в процессе формирования радиосигналов;

– малый уровень собственных шумов на выходе БФС;

– высокая стабильность частоты формируемых радиосигналов.

Выполнение указанных требований легче обеспечить при сравнительно малых уровнях сигналов и относительно низких частотах. Поэтому в большинстве случаев радиосигналы первоначально формируются в БФС на одной фиксированной частоте, измеряемой сотнями килогерц или единицами мегагерц, а затем с помощью ряда преобразований частоты (в такте преобразования радиосигналов) спектр сигнала переносится в область более высоких частот, а при последнем преобразовании - на рабочую частоту возбудителя. Все опорные колебания, обеспечивающие преобразование сигнала и перенос его спектра на рабочую частоту, вырабатываются синтезатором.

Рассмотрим принципы формирования отдельных видов радиосигналов.

4.1. Формирование радиосигналов с однополосной

модуляцией

В настоящее время при работе радиостанций в телефонном режиме на частотах до 20...30 МГц основным видом модуляции стала однополосная модуляция (ОМ), которая имеет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с применявшейся ранее амплитудной модуляцией (см. занятие № 1).

Существуют различные способы формирования ОМ сигналов: фильтровый, фазофильтровый, фазокомпенсационный, синтетический и др. В современной аппаратуре находит широкое применение только один из них – фильтровый способ. Этот способ прост в реализации и обеспечивает получение высоких качественных показателей возбудителей. Фильтровый способ предполагает выделение с помощью полосового фильтра одной из боковых полос амплитудно-модулированного сигнала. Принцип формирования ОМ сигнала поясняется рис. 2.10.

Рис. 2.10. Фильтровый способ формирования ОМ сигналов

На входы балансного модулятора подаются первичный электрический сигнал, имеющий спектр F , и гармонический сигнал с частотой в качестве несущего колебания. На выходе модулятора, собранного по балансной схеме, получается спектр АМ сигнала в составе нижней боковой полосы частот (), верхней боковой полосы частот () и подавленной несущей . Узкополосный фильтр на выходе модулятора предназначен для выделения необходимой боковой полосы частот (на рис. 2.10 – верхней) и подавления второй боковой полосы и остатка несущей.

В военной радиосвязи первичный сигнал занимает полосу частот
F = 300...3400 Гц, поэтому расстояние на частотной оси между подавляемой и не подавляемой боковыми полосами составит всего 600 Гц. Необходимость эффективного подавления (60 дБ) второй боковой полосы частот, столь близко расположенной на оси частот к выделяемому сигналу, предъявляет жесткие требования к полосовому фильтру. В современных возбудителях применяются, как правило, кварцевые фильтры, рассчитанные на стандартные промежуточные частоты (чаще всего = 128 кГц).