книги / Теория электрической связи. Основные понятия

10

– канал связи, включающий в себя комплект каналообразующей аппаратуры (передающий и приемный полукомплекты), а также среду передачи в виде проводной или беспроводной линии связи.

ап	U(t)	S(u,t)	S′(t)	U (t)	апр
				пр

Источник

Сообщение

переданное

Преобразо-
		Пере-			Линия				Прием-
ватель сооб-
		датчик				связи			ник
щение – сиг-
нал
Первичный						Помехи
сигнал			Сигнал				Сигнал +

помехи

Система связи

Преобра- зователь

сигнал – сообщение

Первичный

сигнал

Получатель

Сообщение

полученное

Рис. 1.2. Обобщенная структурная схема одноканальной системы электросвязи

Преобразование сообщения в сигнал включает в себя три операции:

–преобразование из неэлектрической формы в электрическую;

–первичное кодирование;

–преобразование с целью согласования характеристик сигнала с характеристиками канала связи.

Рассмотрим назначение и функции основных элементов системы электросвязи, а также особенности основных процессов преобразования информации при ее передаче от источника к приемнику.

Источник информации – физический объект, который формирует конкретное сообщение. Получатель этого сообщения и является получателем информации. Первоначально информационный обмен в системах связи осуществлялся только между людьми. Сегодня в связи с автоматизацией производства и управления создают и потребляют информацию изготовленные человеком всевозможные автоматы, вычислительные машины, дистанционно управляемые устройства и т. д. На рис. 1.2 формируемое источником сообщение обозначено ап, а поступающее к потребителю – апр.

Вобщем случае сообщения могут быть функциями времени (речь, музыка, движущееся изображение и т. п.), но могут и не являться ими (фотография, текст, рисунок и т.п.).

При всем многообразии сообщений их можно разбить на два типа – непрерывные и дискретные. Непрерывные сообщения принимают любые значения в некотором интервале. К таким сообщениям можно отнести речь, музыку, рисунок. Конечное число возможных значений – характерный признак дискретного сообщения. Типичный пример – выражение ин-

формации в виде букв алфавита.

11

Процесс преобразования сообщения в электрический сигнал в общем случае осуществляется с помощью электрических или электромеханических устройств, которые воспринимают неэлектрические сообщения ап (передаваемое сообщение) и выдают их в виде электрического процесса – изменяющегося во времени напряжения или тока. Это так называемые первичные преобразователи, и их выходной сигнал является первичным электрическим сигналом u(t) (или, проще говоря, первичным сигналом). Так, при передаче речи и музыки первичное преобразование производится микрофоном, при передаче изображения (телевидение) – с помощью передающих трубок. Буквы текста преобразуются в стандартные электрические сигналы (например, импульсы (точки) и паузы (тире) различной длительности в азбуке Морзе).

Первичные сигналы с преобразователя, как правило, не могут быть непосредственно переданы по линии связи. Ведь первичные сигналы низкочастотные, а в линии связи эффективно передаются высокочастотные колебания. Для согласования первичных сигналов с линией связи применяется устройство, называемое передатчиком, так как именно в нем осуществляется преобразование первичных сигналов u(t) в сигналы, удобные для передачи по линии связи (по форме, мощности, частоте и т. д.). Данное устройство (или совокупность устройств в составе передающего полукомплекта) предназначено для преобразования первичного сигнала, оно должно обеспечивать эффективную передачу сформированного канального сигнала S(u,t) на достаточно большие расстояния. В простейшем случае передатчик может содержать усилитель первичных сигналов или только фильтр, ограничивающий полосу передаваемых частот. В большинстве случаев передатчик – генератор переносчика (несущей частоты) и модулятор. Процесс модуляции заключается в управлении параметрами переносчика первичным сигналом u(t). На выходе передатчика получаем модулированный сигнал S(u,t). Еще одним вариантом преобразования, применяемым для передачи дискретных сигналов, является линейное кодирование. Это специальные способы представления дискретных сообщений для передачи по линиям связи, в основном использующие импульсное представление сигналов.

Под линией связи понимают совокупность физических цепей, имеющих общую среду распространения и служащих для передачи электрических сигналов от передатчика к приемнику. Такими физическими цепями, соединяющими передатчик и приемник, могут быть пара проводов, коаксиальный кабель, цепочка радиорелейных линий, часть пространства между передающей и приемной антеннами в радиосвязи.

Для каждого типа линии связи имеются сигналы, наиболее эффективно распространяющиеся по ней. Например, для проводной линии это постоянный ток и переменные токи невысоких частот (не более нескольких десятков килогерц), по радиолинии – электромагнитные колебания вы-

12

соких частот (от сотен килогерц до десятков тысяч мегагерц), в оптических кабелях – световые волны с частотами 1014–1016 Гц.

При прохождении по линии связи электрические сигналы, вопервых, значительно ослабляются (затухают), во-вторых, подвергаются воздействию посторонних мешающих электромагнитных колебаний – помех. Антенна приемника, например, улавливает ничтожную долю электромагнитной энергии, излучаемой антенной передатчика, уровень же помех в антенне часто намного превышает уровень сигнала. Следовательно, на выходе линии связи будет смесь принятого сигнала и помехи, обозначенная на рис. 1.2 S′(t).

В приемнике из принятого сигнала S′(t) извлекается (восстанавливается) первичный сигнал. Но из-за действия помех в линии связи восстановленный первичный сигнал несколько отличается от переданного,

ипоэтому он на рис. 1.2 обозначается uпр(t). Кроме того, для компенсации ослабления сигнала в линии связи в приемнике производятся усиление

иобработка принятого сигнала с целью выделения полезного сигнала

иподавления помехи.

Обратное преобразование принятого первичного сигнала uпр(t) в сообщение апр (принимаемое сообщение) осуществляется с помощью специальных устройств. Так, например, для восстановления речевого сигнала из электрического применяется динамик телефона, для восстановления телевизионного сигнала – кинескоп. В принципе, необходим такой преобразователь, который преобразует принятый первичный сигнал в сообщение, воспринимаемое получателем. Так, при передаче музыки принятый первичный сигнал преобразуется в звуковые колебания, если получателем является человек. Если же требуется осуществить магнитофонную запись, то принятый первичный сигнал преобразуется в сигнал, удобный для записи на магнитной ленте. Главное требование к этим действиям – точность преобразования.

Источник и потребитель информации являются абонентами в системе связи. Достаточно часто преобразователи сообщения в первичный сигнал и первичного сигнала в сообщение ставят около источника и потребителя, поэтому их называют абонентскими устройствами (терминалами).

Вприведенной на рис. 1.2 обобщенной структурной схеме системы электросвязи можно выделить канал электросвязи, под которым понимают совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающих при подключении оконечных абонентских устройств передачу сообщений любого вида от источника к потребителю с помощью сигналов электросвязи.

Взависимости от вида сообщений и среды распространения различают каналы: телефонные, телеграфные, передачи данных, звукового и телевизионного вещания, проводные и кабельные, радиосвязи, дискретные,

13

цифровые и т. д. Но по каждому из них, в зависимости от подключаемых терминалов, могут передаваться различные сообщения.

На практике часто возникает необходимость обеспечить независимую передачу сообщений от нескольких источников, расположенных в пункте А, к потребителям, расположенным в пункте Б. Использование для каждой пары источник–потребитель отдельной линии связи экономически нецелесообразно. В современных сетях связи применяются многоканальные системы, использующие одну линию связи для передачи сообщений от нескольких источников. В них сигналы, поступающие от разных источников сообщений, должны обладать определенными признаками, позволяющими разделить сообщения на приеме. Для этого на передающей стороне необходимо иметь формирователь канальных сигналов, а на приемной – устройство разделения. Таким образом, дополнив структурную схему системы связи (см. рис. 1.2) устройствами формирования и разделения сигналов, получаем многоканальную систему передачи (МСП).

1.3.Помехи и искажения в каналах связи

Вреальном канале сигнал при передаче искажается, и сообщение воспроизводится с некоторой ошибкой. Причиной таких ошибок являются искажения, вносимые самим каналом, и помехи, воздействующие на сигнал.

Частотные и временные характеристики канала определяют линейные

инелинейные искажения. Как правило, эти искажения обусловлены известными характеристиками канала и могут быть устранены или уменьшены путем коррекции. Помеха – любое мешающее внешнее или внутреннее воздействие на сигнал, вызывающее случайные отклонения принятого сигнала от передаваемого.

Помехи весьма разнообразны как по своему происхождению, так

ипо физическим свойствам. Иногда помехи резко отличаются от сигнала, иногда даже трудно определить, где сигнал, а где помеха. Вдруг в телефоне слышно два разговора. Надо время, чтобы различить, где полезный сигнал, а где случайно подключившаяся «помеха». В то же время эта «помеха» – полезный сигнал для другого абонента.

Классификацию помех можно провести по следующим признакам:

– по происхождению (месту возникновения);

– по физическим свойствам;

– по характеру воздействия на сигнал.

По происхождению в первую очередь надо отметить внутренние помехи, например, внутренние шумы аппаратуры, входящей в канал связи, обусловленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, сопротивлениях и других элементах. Это так называемые тепловые шумы. Квадрат эффективного напряжения теплового шума на сопротивлении R определяется известной формулой Найквиста:

Рис. 1.3. Иллюстрация действия флуктуационной помехи (ФП)

xФП(t)

x(t)

ФП

14

U	2	= 4kTRF,	(1.1)
	ш
где Т – абсолютная температура сопротивления R;			F – полоса частот;

k = 1,37 10-23 В с/град – постоянная Больцмана.

Как следует из (1.1), эти шумы принципиально устранимы только при абсолютном нуле (T = 0 К).

Среди внешних помех, т. е. помех от посторонних источников, находящихся вне канала связи, можно назвать:

–атмосферные (грозовые разряды, полярные сияния и др.), обусловленные электрическими процессами в атмосфере;

–индустриальные, возникающие в электрических цепях электроустановок (электротранспорт, электрические двигатели, медицинские установки, системы зажигания двигателей и др.);

–помехи от посторонних станций и каналов, возникающие от различных нарушений режима их работы и свойств каналов;

–космические, связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах и других внеземных объектах.

По физическим свойствам различают флуктуационные и сосредоточенные помехи.

Флуктуационными называют помехи, обусловленные флуктуациями тех или иных физических величин. Название происходит от физического понятия флуктуации (лат. fluctuation – колеба-

tние) – случайные отклонения физиче-

ских величин от среднего значения. Флуктуационная помеха (ФП)

tпредставляет собой непрерывные коле-

бания, меняющиеся случайным образом (рис. 1.3). Для нее характерно очень ма- лое число выбросов, превышающее t средний уровень более чем в 3–4 раза.

Но большие (в принципе, бесконечные) выбросы всегда имеются. Спектр помехи весьма широкий. Флуктуационные

помехи проникают в систему связи не только извне, они зарождаются также внутри самой системы в различных ее звеньях.

Причинами внутренних флуктуационных помех являются в основном тепловой шум в проводниках и дробовый эффект в электронных приборах. К внешним флуктуационным помехам принято относить помехи космического происхождения, помехи, вызванные взаимными влияниями цепей в линиях связи (линейные и нелинейные переходы, попутный поток

t

Рис. 1.4. Иллюстрация действия импульсной помехи (ИП)

15

инекоторые другие). Хотя эти помехи по своему происхождению и не являются строго флуктуационными, они обладают схожими признаками.

Мешающее воздействие флуктуационных помех зависит от характера передаваемого сообщения. В телефоне при речевом сигнале она прослушивается как звуковой шум, поэтому часто флуктуационную помеху называют флуктуационным шумом. На экране телевизора флуктуационные помехи вызывают размытость контуров и понижение контраста изображения, при телеграфной передаче – ошибочное принятие знаков. Характерной особенностью флуктуационных помех является то, что явления, порождающие их, лежат в физической природе вещей (дискретное строение вещества, дискретная природа электромагнитного поля) и принципиально не могут быть устранены.

Ксосредоточенным по времени (импульсным) помехам относятся помехи в виде одиночных коротких импульсов различной интенсивности

идлительности, следующих один за другим через случайные достаточно большие промежутки времени (рис. 1.4).

Причинами импульсных помех являются: грозовые разряды; радиостанции, ра-

ботающие в импульсном режиме; линии						x(t)
электропередачи и другие энергоустановки;
система	зажигания и	энергообеспечения		ИП				t
транспорта; перегрузки усилителей; плохие
контакты в оборудовании и питании; недос-								t
татки разработки и изготовления оборудо-
				xИП(t)
вания; эксплуатационные		работы (реконст-
рукция,	профилактика,	подключение к

действующему каналу измерительных приборов, ошибочная коммутация и т.п.).

К сосредоточенным по спектру помехам относятся помехи посторонних радиостанций, генераторов высокой частоты раз-

личного назначения (медицинские, промышленные, бытовые и др.), переходные помехи от соседних каналов многоканальных систем. Обычно это гармонические или модулированные колебания с шириной спектра меньшей или соизмеримой с шириной спектра полезного сигнала. В диапазоне декаметровых волн, например, они являются основными видами помех.

По характеру воздействия на сигнал различают аддитивные и мультипликативные помехи.

Аддитивной является помеха, мгновенные значения которой складываются с мгновенными значениями сигнала. Мешающее воздействие аддитивной помехи определяется суммированием с полезным сигналом. Аддитивные помехи воздействуют на приемное устройство независимо от сиг-

Рис. 1.5. Действие аддитивной и мультипликативной помех (АП и МП)

16

нала и имеют место даже тогда, когда на входе приемника отсутствует сигнал.

Мультипликативной называется помеха, мгновенные значения которой перемножаются с мгновенными значениями сигнала. Мешающее действие мультипликативных помех проявляется в виде изменения параметров полезного сигнала, в основном амплитуды. Мультипликативные помехи непосредственно связаны с процессом прохождения сигнала в среде распространения и поэтому ощущаются только при наличии сигнала в системе связи. Простейший пример – телефонная или радиотрансляционная линия с плохими контактами. Другим примером являются интерференционные замирания сигнала при приеме на декаметровых волнах.

Приведем пример влияния на полезный сигнал помех различного характера воздействия.

Пусть полезный сигнал представлен гармоническим колебанием u(t) = Um sin(ωt + ϕ0). Рассмотрим, как изменится сигнал при воздействии на него аддитивной и мультипликативной помех в виде постоянной C.

					На рис. 1.5 представлен график
Um		u(t)			изменения сигнала без помех и с поме-
					хами. Функция полезного сигнала с ад-
				t	дитивной и мультипликативной помеха-
					ми может быть представлена следую-
	С	u	АП	(t)	щим образом:

tuАП(t) = u(t) + C = Um sin(ωt+ϕ0) + C,

U′m		МП	uМП(t) = u(t) C = Um С sin(ωt+ϕ0) =
	u	(t)
		t	= U′m sin(ωt+ϕ0).
			Можно сделать вывод, что посто-
			янная аддитивная помеха приводит к по-

явлению (изменению) постоянной составляющей гармонического сигнала, а мультипликативная – к изменению амплитуды сигнала.

В реальных каналах электросвязи обычно имеет место не одна, а совокупность помех. Но все же основными можно считать флуктуационные помехи, воздействующие на сигнал как аддитивные.

Под искажениями понимают такие изменения формы сигнала, которые обусловлены известными свойствами цепей и устройств, по которым проходит сигнал. Главная причина искажений сигнала – переходные процессы в линии связи, цепях передатчика и приемника. При этом различают искажения: линейные, возникающие в линейных цепях; нелинейные, возникающие в нелинейных цепях. В общем случае искажения отрицательно

17

сказываются на качестве воспроизведения сообщений и не должны превышать установленных значений (норм).

При известных характеристиках канала связи форму сигнала на его выходе всегда можно рассчитать по методике, изложенной в теории линейных и нелинейных цепей. А дальше измерение формы сигнала можно скомпенсировать корректирующими цепями или просто учесть при дальнейшей обработке в приемнике. Иначе помехи – они заранее неизвестны и поэтому не могут быть устранены полностью.

Борьба с помехами – основная задача теории и техники связи. Любые теоретические и технические решения о выполнении кодера и декодера, передатчика и приемника системы связи должны приниматься с учетом того, что в линии связи имеются помехи.

При всем многообразии методов борьбы с помехами их можно свести к трем направлениям:

1.Подавление помех в месте их возникновения. Это достаточно эффективный и широко применяемый метод, но он не всегда приемлем. Ведь существуют источники помех, на которые воздействовать нельзя (грозовые разряды, шумы Солнца и др.).

2.Уменьшение помех на путях их проникновения в приемник. Следует отметить, что помехи обычно воздействуют на сигнал в среде распространения. Поэтому как проводные, так и радиолинии строятся так, чтобы обеспечить заданный уровень помех.

3.Ослабление влияния помех на принимаемое сообщение в приемнике, демодуляторе, декодере. Это возможно за счет применения специальных методов преобразования сигнала на передающей стороне и анализа принимаемого сигнала. Для цифровых систем передачи основным способом ослабления воздействия помех является помехоустойчивое кодирование.

1.4. Основные характеристики систем связи

Исходя из назначения любой системы электросвязи – передача информации от источника к потребителю, можно оценить работу системы по двум показателям: качеству и количеству переданной информации. Эти показатели неразрывно связаны между собой.

Качество передаваемой информации принято оценивать достоверностью (верностью) передачи сообщений. Количественно достоверность характеризуется степенью соответствия принятого сообщения переданному. Снижение достоверности в канале связи происходит из-за действия помех и искажений. Но так как искажение в канале в принципе можно скомпенсировать и в правильно спроектированных каналах они достаточно малы, то главной причиной уменьшения достоверности являются помехи. В этом случае качество передачи полностью определяется помехоустойчивостью

18

системы. Под помехоустойчивостью обычно понимают способность системы противостоять вредному влиянию помех на передачу сообщений.

Количественную меру достоверности выбирают по-разному, в зависимости от характера сообщения. Если сообщение представляет собой дискретную последовательность элементов из некоторого конечного множества, влияние помехи проявляется в том, что вместо фактически переданного элемента может быть принят какой-либо другой. Такое событие называется ошибкой. В качестве количественной меры достоверности можно принять вероятность ошибки p или любую возрастающую функцию этой вероятности.

Косвенной мерой качества может служить оценка степени искажения формы принимаемых стандартных сигналов (краевые искажения, дробления, флуктуации фронтов и т. д.). Эти искажения также нормируются для дискретных каналов. Имеются простые соотношения для пересчета искажений формы сигнала в вероятность ошибки.

Прямой мерой качества дискретных сообщений является относительное количество ошибочно принятых знаков (символов) сообщения апр, получившее название коэффициента ошибок Kош,

Kош = Nош / N,

(1.2)

где Nош – число ошибочно принятых знаков (символов); N – общее число переданных знаков (символов) за время наблюдения tн.

Так как ошибки в канале возникают случайно, то коэффициент ошибок Kош зависит от времени наблюдения. Поэтому в расчетах пользуются предельным значением

_
Kош = lim Kош	(1.3)
tн →∞

при достаточно большом времени наблюдения. В этом случае (практически уже при Noш>20) предельное значение Kош совпадает с вероятностью ошибки Рош. Значение вероятности ошибки, согласно рекомендациям Международного союза электросвязи (МСЭ), должно быть, например, для сетей передачи данных не более 10-6. Это достаточно жесткие требования к качеству, если учесть, что в коммутируемых каналах АТС вероятность ошибки может быть порядка 10-2...10-4, поэтому потребуются специальные меры для исправления ошибок при декодировании.

Косвенной мерой оценки качества может служить оценка степени искажения формы принимаемых стандартных сигналов (краевые искажения, дробления, флуктуации фронтов и т. д.). Эти искажения также нормируются для дискретных каналов. Имеются простые соотношения для пересчета искажений формы сигнала в вероятность ошибки.

При передаче непрерывных сообщений степенью соответствия принятого сообщения переданному может служить некоторая величина, кото-

19

рая характеризует отклонения принятого сообщения от переданного. Часто принимается критерий квадратичного отклонения, выражающийся соотношением

		2 (t) =	1	tc
	ε			∫[aпр (t) − aп (t)]2 dt ,	(1.4)
			tc
				0

где tc – длительность сообщения или время его наблюдения; aп(t) – переданное сообщение; апр(t) – принятое сообщение.

Среднеквадратическое отклонение учитывает влияние на принятое сообщение апр(t) как помех, так и всевозможных искажений (линейных, нелинейных).

Достоверность передачи зависит от отношения мощностей сигнал/помеха. Чем больше это отношение, тем меньше вероятность ошибки (больше достоверность).

При данной интенсивности помехи вероятность ошибки тем меньше, чем сильнее различаются между собой сигналы, соответствующие разным элементам сообщения. Задача состоит в том, чтобы выбрать для передачи сигналы с большим различием.

Достоверность зависит и от способа приема. Нужно выбрать такой способ приема, который наилучшим образом реализует различие между сигналами при данном отношении сигнала к помехе. Правильно сконструированный приемник может увеличить отношение сигнала к помехе, и притом весьма значительно.

Косвенная оценка качества передачи непрерывных сообщений приводится по характеристикам каналов (частотным, амплитудным, фазовым, уровню помех и т. д.), по некоторым параметрам сигналов и помех (коэффициент искажений, отношение сигнал/помеха и т. д.), по субъективному восприятию сообщений. Качество телефонной связи, например, можно оценивать по разборчивости речи.

Косвенные методы оценки качества передачи сообщений удобны

вэксплуатации, количественно легко измеряются созданными для этой цели приборами и поэтому широко применяются на практике.

Прямые методы, как правило, целесообразны в теоретических исследованиях и расчетах. Однако не следует считать, что различные методы дают различную оценку качества. Они связаны между собой функциональной зависимостью. Проведя, например, измерение параметров канала связи, можно рассчитать качество передачи тех или иных сигналов и сообщений по этому каналу.

Есть существенное различие между системами передачи дискретных и непрерывных сообщений. В аналоговых системах всякое, даже сколь угодно малое воздействие на сигнал, вызывающее искажение модулируемого параметра, всегда влечет за собой внесение соответствующей ошибки

всообщение. В системах передачи дискретных сообщений ошибка возни-