1.2. Системы связи. канал связи

На рис. 1.2 изображена структурная схема простейшей системы связи. Рассмотрим назначение отдельных элементов этой схемы. Источником сообщений и получателем в одних системах связи может быть человек, в других - различного рода устройства (автомат, вычислительная машина и т. п.).

Рис. 1.2. Структурная схема системы связи

Устройство, преобразующее сообщение в сигнал, называют передающим устройством, а устройство, преобразующее принятый сигнал в сообщение, - приемным устройством.

С помощью преобразователя в передающем устройстве сообщение а, которое может иметь любую физическую природу (изображение, звуковое колебание и т. п.), преобразуется в первичный электрический сигнал b(t). В телефонии, например, эта операция сводится к превращению звукового давления в пропорционально изменяющейся электрический ток микрофона. В телеграфии сначала производится кодирование, в результате которого последовательность элементов сообщения (букв) заменяется последовательностью кодовых символов (0, 1 или точка, тире), которая затем с помощью телеграфного аппарата преобразуется в последовательность электрических импульсов постоянного тока.

В передатчике первичный сигнал b(t) (обычно низкочастотный) превращается во вторичный (высокочастотный) сигнал u(t), пригодный для передачи по используемому каналу. Это осуществляется посредством модуляции.

Преобразование сообщения в сигнал должно быть обратимым, В этом случае по выходному сигналу можно, в принципе, восстановить входной первичный сигнал, т. е. получить всю информацию, содержащуюся в переданном сообщении. В противном случае часть информации будет потеряна при передаче, даже если сигнал доходит до приемного устройства без искажений.

Линией связи называется среда, используемая для передачи сигналов от передатчика к приемнику. В системах электрической связи - это кабель или волновод, в системах радиосвязи - область пространства, в котором распространяются электромагнитные волны от передатчика к приемнику. При передаче сигнал может искажаться и на него могут накладываться помехи n(t).

Приемное устройство обрабатывает принятое колебание z(t) = u(t) + n(t), представляющее собой сумму пришедшего искаженного сигнала u(t) и помехи n(t), и восстанавливает по нему сообщение а, которое с некоторой погрешностью отражает переданное сообщение а. Другими словами, приемник должен на основе анализа колебания z(t) определить, какое из возможных сообщений передавалось. Поэтому приемное устройство является одним из наиболее ответственных и сложных элементов системы связи.

Совокупность технических средств для передачи сообщений от источника к потребителю называется системой связи. Этими средствами являются передающее устройство, линия связи приемное устройство. Иногда в понятие система связи включаются источник и потребитель сообщений.

По виду передаваемых сообщений различают следующие си- стемы связи: передача речи (телефония); передача текста (телеграфия); передача неподвижных изображений (фототелеграфия);, передача изображений (телевидение), телеизмерение, телеуправление и передача данных. По значению телефонные и телевизионные системы делят на вещательные, отличающиеся высокой степенью художественности воспроизведения сообщений, и профессиональные, имеющие специальное применение (служебная связь, промышленное телевидение и т. п.).

В системе телеизмерения физическая величина, подлежащая измерению (температура, давление, скорость и т. п.), с помощью- датчиков воздействует на передатчик, где она (преобразовывается в сигнал и передается по каналу. На приемном конце переданную физическую величину или ее изменения выделяют из сигнала и наблюдают или регистрируют с помощью приборов.

В системе телеуправления осуществляется передача команд, для автоматического выполнения определенных действий. Нередко эти команды формируют автоматически на основании результатов измерения, переданных телеметрической системой.

Системы передачи данных также могут иметь различное применение. В частности, они являются неотъемлемой частью телеметрических и телемеханических систем, автоматизированных систем управления (АСУ).

Каналом связи называется совокупность средств, обеспечивающих передачу сигнала от некоторой точки А системы до точки В (рис. 1.3). Точки А и В могут быть выбраны произвольно, лишь бы между ними проходил сигнал. Часть системы связи, расположенная до точки А, является источником сигнала для этого канала. Если сигналы, поступающие на вход канала и снимается с его выхода, являются дискретными (по состояниям), то канал называется дискретным. Если входные и выходные сигналы канала являются непрерывными, то и канал называется непрерывным. Встречаются также дискретно-непрерывные и непрерывно-дискретные каналы, на вход которых поступают дискретные сигналы, а с выхода снимаются непрерывные, или наоборот. Из сказанного видно, что канал может быть дискретным или непрерывным независимо от характера передаваемых сообщений. Более того, в одной и той же системе связи можно выделить как дискретный, так и непрерывный каналы. Все зависит от того, каким образом в убран на точки А и В входа и выхода канала.

Рис. 1.3. Канал связи

Непрерывный канал связи можно характеризовать так же, как и сигнал тремя параметрами: временем T_К, в течение которого по каналу ведется передача, динамическим диапазоном D_K и полосой пропускания канала F_K. Под динамическим диапазоном канала понимают отношение допустимой мощности передаваемого сигнала к мощности, неизбежно присутствующей в канале помехи, выраженное в децибелах. Типы каналов, по которым передаются сообщения, многочисленны и разнообразны. Широко применяются каналы проводной связи, коротковолновой радиосвязи с использованием отражения от ионосферы, ультракоротковолновой связи ионосферного и тропосферного рассеяния, метеорной связи, космической связи и т. п. Характеристики этих каналов значительно отличаются друг от друга.

Общими признаками непрерывных каналов являются следующие. Во-первых, большинство каналов можно считать линейными. В таких каналах выходной сигнал является суммой входных сигналов и помех (применим принцип суперпозиции), а продукты нелинейных преобразований в канале малы по сравнению с выходными сигналами. Во-вторых, на выходе канала даже в отсутствие полезного сигнала всегда имеются помехи. В-третьих, сигнал при передаче по каналу претерпевает задержку по времени и затухание по уровню. И, наконец, в реальных каналах всегда имеют место искажения сигнала, обусловленные несовершенством характеристик канала и, нередко, изменениями параметров канала во времени.

Обобщенной характеристикой непрерывного канала является его емкость (объем):

Необходимым условием неискаженной передачи по каналу сигналов с объемом V_c, очевидно, должно быть

Преобразование первичного сигнала в высокочастотный сигнал и преследует цель согласования сигнала с каналом. В простейшем случае сигнал согласуют с каналом по всем трем параметрам, т. е. добиваются выполнения условий:

При этих условиях объем сигнала полностью "вписывается" в объем канала. Однако неравенство (1.3) может выполняться и тогда, когда одно или два из неравенств (1.4) не выполнены. Это означает, что можно производить "обмен" длительности на ширину спектра или ширину спектра на динамический диапазон и т. д.

Пусть, например, записанный на пленку телефонный сигнал, имеющий ширину спектра 3 кГц, необходимо передать через канал, полоса пропускания которого 300 Гц. Это можно осуществить, воспроизводя сигнал со скоростью, в 10 раз меньшей той, с которой он был записан. При этом все частоты исходного сигнала уменьшатся в 10 раз и во столько же раз увеличится время передачи. Принятый сигнал также записывается на плойку, а затем, воспроизведя 'его со скоростью, в 10 раз большей, можно восстановить исходный сигнал. Аналогично можно передать сигнал быстрее, чем он создавался, если полоса пропускания канала шире спектра сигнала.

Значительно больший интерес представляет возможность обмена динамического диапазона на полосу пропускания. Так, используя широкополосные помехоустойчивые виды модуляции (см. гл. 7), можно передать сообщение с динамическим диапазоном, например 60 дБ, по каналу, в котором сигнал превышает помеху всего лишь на 20 дБ. При этом используется полоса пропускания канала, в несколько раз более широкая, чем спектр сообщения.

Система связи называется многоканальной, если она обеспечивает передачу нескольких сообщений по одной общей линии связи. Структурная схема простейшей многоканальной системы связи изображена на рис. 1.4. Здесь сообщения а₁, а₂,...., а_n, подлежащие передаче, преобразуются в электрические сигналы u₁(t), u₂(t),...., u_n(t), а затем смешиваются в аппаратуре уплотнения. Полученный таким образом групповой сигнал u(t) передается по линии связи. Приемник преобразует принятое колебание z(t) = u(t) + n(t) в исходный групповой сигнал, из которого затем с помощью устройства разделения выделяются индивидуальные сигналы û_i(t), преобразуемые в соответствующие сообщения â_n. Для разделения сигналов на приемном конце, очевидно, необходимо, чтобы они различались между собой по некоторому признаку. В практике многоканальной связи преимущественно применяют частотный и временной способы разделения.

Рис. 1.4. Структурная схема многоканальной системы связи