Восстановление аналоговых сигналов

Все устройства, предназначенные для демодуляции сигналов, будут рассмотрены при изучении конкретных систем передачи и аппаратуры, входящей в состав этих систем.При приеме сигналов ИКМ для восстановления аналогового сигнала необходимо преобразовать цифровой сигнал (последовательность двоичных импульсов) в квантованный АИМ сигнал (та­кое преобразование называется декодированием) и затем осуществить операцию демодуляции, т.е. выделения из АИМ-сигнала аналогового сигнала s(t).Итак, при использовании ИКМ выполняются следующие преобразования аналогового сигнала: в пункте передачи – амплитудно-импульсная модуляция, квантование и кодирование; в пунк­те приема – декодирование и демодуляция квантованного АИМ сигнала. Полученный на приеме аналоговый сигнал отличается от переданного, так как образуется из квантованных импуль­сов, амплитуды которых равны не мгновенным значениям сигнала s(t), а ближайшим разрешенным значениям.Таким образом, операция квантования вносит в процесс передачи сигнала неустранимую ошибку, которая тем меньше, чем больше уровней квантования.А как узнать, какое десятичное число скрывается под его записью в двоичной системе? Правило простое: под каждым разрядом двоичного числа следует записать его «вес». Те «веса», которые соответствуют единичным разрядам, нужно сложить. Полученная сумма и явится десятичным числом. Вот перед нами число 1001011, записанное в двоичной нумерации. Поступаем согласно сказанному выше:

Как видим, заинтересовавшее нас число складывается из единицы, двойки, восьмерки и шестидесяти четырех (1 + 2 + 8 + 64). Очевидно, оно равно 75. Попробуйте самостоятельно определить, какому числу соот­вет­ствует его двоичная запись 10110011.В состав декодера входит пре­образователь последовательного кода в параллельный (рис. 4.7), на выходах которого появляется набор единиц и нулей, соответствующий принятой кодовой комбинации. Каждая единица (токовый импульс) поступает на вход сумматора с весом, где увеличивается в 2^k раз. На выходе сумматора возникает импульс, амплитуда которого определяется кодовой комбинацией на входе декодера.Например, при прохождении кодовой комбинации 0100110 на первый, четвертый, пятый и седьмой входы сумматора напряжение не подается (бестоковые импульсы), а на второй, третий и шестой входы подается напряжение, которое увеличивается соответственно в 2¹, 2² и 2⁵ раз. На выходе сумматора появляется напряжение, пропорциональное 2¹ + 2² + 2⁵ = 38, т.е. квантованный АИМ-сигнал.На следующем шаге необходимо из отсчетных значений тока получить непрерывный ток. Сделать это нам поможет обычный конденсатор небольшой емкости, который при кратковременном воздействии на него тока (т.е. отсчетного значения) мгновенно зарядится и будет удерживать заряд до следующего кратковременного воздействия. Отметим еще раз, что восстановленная таким путем кривая непрерывного тока будет несколько отличаться от той, которая была получена на клеммах микрофона: она будет иметь плоские ступеньки между отсчетными значениями. Можно сказать, что процесс взятия отсчетных значений и последующего восстановления непрерывной кривой тока микрофона сопровождается специфическими искажениями, которые могут повлиять на качество воспроизведения звука. Однако на практике для восстановления тока используют не конденсатор, а более сложные схемы, делающие форму восстановленного тока похожей на форму исходного тока и тем самым сводящие на нет действия указанных искажений.

Контрольные вопросы

1. Что такое цифровой сигнал?
2. С какой частотой следует дискретизировать аналоговый сигнал?
3. Как определить ошибку квантования сигнала?
4. В чем заключается принцип двоичного кодирования сигнала?
5. Как восстановить аналоговый сигнал из цифрового?

Список литературы
1. Крук Б.И., Попов Г.Н. ... И мир загадочный за занавесом цифр: Цифровая связь. – 2-е изд., испр. – Новосибирск: ЦЭРИС, 2001. – 264 с.
2. Бакалов В.П., Дмитриков В.Ф., Крук Б.И. Основы теории цепей: Учебник для вузов; Под ред. В.П. Бакалова. – М.: Радио и связь, 2000. – 592 с.
3. Журавлева О.Б., Крук Б.И. Дискретные сигналы и цепи: 26 вопросов и ответов: Учебное пособие для дистанционного обучения. – Новосибирск: СибГУТИ, 1999. – 100 с.

Линии передачи

Медные кабельные линии

Составной частью системы передачи является линия передачи, по которой распространяются электромагнитные сигналы. В зависимости от конкретных условий, в которых организуется связь, для передачи сигналов используют проводные или радиолинии.

По проводным линиям электромагнитное поле распространяется вдоль непрерывной направляющей среды. К ним относятся воздушные и кабельные линии, волновые, световоды. По радиолиниям сообщения передаются посредством распространения электро­магнитных волн в свободном пространстве.

Исторически первыми возникли и применяются до настоящего времени воздушные линии (цепи). Воздушная цепь представ­ляет собой пару изолированных металлических проводов, закреп­ленную на некотором расстоянии друг от друга, в результа­те чего роль изолятора между проводами выполняет воздух. Подвешиваются провода на деревянных или железобетонных опорах.

Недостатками воздушных цепей – значительное влияние климатических условий на устойчивость работы системы связи, высокий уровень помех (от высоковольтных линий, контактной сети электрифицированных железных дорог, радиостанций), малый диапазон частот.

Кабель связи представляет собой некоторое количество проводников, изолированных друг от друга. В качестве изоляции используются кабельная бумага или различные разновидности пластмасс. Для предохранения от проникновения влаги проводники заключаются в герметическую оболочку. Сверху накладывают защитные покровы, предохраняющие кабель от механических повреждений.

Пара проводников образует электрическую цепь, по которой передается сигнал. Переход от воздушной цепи к кабельной позволил существенно уменьшить влияние климатических условий на работу систем связи, снизить уровень помех, расширить рабочий диапазон частот. Кабели подразделяются на подземные, подводные и подвесные.

Старейшие среди современных кабелей связи – городские телефонные кабели. Да и самой разветвленной кабельной сетью является городская телефонная сеть (не секрет, что бóльшая часть телефонов находится у жителей городов).

Городские телефонные кабели бывают разные (рис. 5.1). Они могут содержать от 10 (такие кабели заводят в подъезды домов и подключают к распределительным коробкам, откуда телефонные провода тянутся в каждую квартиру) до 500, 1000 и даже 3000 пар проводов (а такие кабели используют для того, чтобы собрать воедино тянущиеся от жилых массивов к АТС более мелкие кабели). Каждая жила кабеля изолируется кабельной бумагой или бумажной массой, получаемой из целлюлозы. Жилы скручиваются определенным образом вместе и помещаются в прочную свинцовую оболочку. В последние годы, благодаря успехам химии, на смену бумажной изоляции жил и свинцовой оболочке пришли различные пластмассы (полиэтилен, поливинилхлорид, фторопласт). Прокладываются городские телефонные кабели в подземной канализации в асбестоцементных трубах.

Для связи между городами выпускаются специальные междугородные кабели (рис. 5.1) – симметричные и коаксиальные. В отличие от городских кабелей они содержат намного меньше пар проводов: не более одного-двух десятков. Лежат эти кабели прямо в земле. Для повышения механической прочности междугородные кабели «одевают» в броневые покровы (обычно это стальные бронеленты).

Когда по проводнику протекает синусоидальный ток, вокруг движущихся в металле электронов возникают электрическое и магнитное поля. Чтобы убедиться в существовании электрического поля, достаточно поместить вблизи проводника пробный электрический заряд (например, заряженный листок или бусинку). Если поле есть, то заряд сдвинется с места. Обнаружить магнитное поле можно с помощью пробной магнитной стрелки: она будет поворачиваться. Электрическое и магнитное поля часто рассматриваются вместе как единое электромагнитное поле.

Попробуем увеличить частоту синусоидального тока в проводнике. Десятки герц... Сотни герц... Килогерцы... Сотни килогерц. Мы обнаруживаем (естественно, с помощью приборов), что ток с ростом частоты все сильнее и сильнее вытесняется из толщи проводника к его поверхности. Электромагнитное поле вне проводника возрастает, и вот на очень высоких частотах (превышающих сотни и даже тысячи мегагерц) ток полностью вытесняется из проводника. Проводник начинает излучать всю электромагнитную энергию в пространство. Передача ее по проводу прекратилась. Провод превратился в антенну!

Описанное явление – вытеснение тока к внешней поверхности проводника – получило у специалистов название поверхностного эффекта. Существует довольно простое объяснение поверхностного эффекта (рис. 5.2).

В 30-х годах прошлого века английский физик М. Фарадей (1791–1867) обнаружил, что в проводнике, помещенном в переменное магнитное поле, возникает ток. Все дело в том, что наш проводник оказался помещенным в собственное магнитное поле и под его воздействием в толще проводника образовалось множество замыкающихся по кольцу вихревых токов. У поверхности проводника эти токи направлены так же, как и основной ток, и поэтому увеличивают его. В толще же проводника вихревые токи оказываются направленными против основного тока и, следовательно, уменьшают этот основной ток.

Мы рассмотрели один провод, тогда как для передачи сигналов используются два провода – прямой и обратный (чтобы цепь тока замкнулась). Каждый из проводов образует свое электромагнитное поле. Их взаимодействие дает несколько более сложную картину поля, однако эффект излучения поля вне проводов остается практически неизменным – с ростом частоты излучение увеличивается.

В городских телефонных кабелях под одной «крышей» – оболочкой – собрано большое число пар проводов. Представим себе, что цифровые сигналы (импульсы) передаются только по одной паре проводов, по одной цепи (а по другим парам в это время ничего не передается). Тем не менее и в остальных «нерабочих» парах можно зафиксировать те же самые сигналы. Правда, очень слабые. И чем дальше «нерабочая» пара расположена от «рабочей», тем слабее в ней сигналы. Однако чем выше скорость передачи импульсов, тем увереннее мы будем регистрировать в «нерабочих» парах эти импульсы. Виной тому увеличивающееся на высоких частотах электромагнитное излучение. При большой скорости передачи влияние одной цепи на другую может быть столь велико, что когда по второй цепи будут передаваться «свои» сигналы, их будет очень трудно отделить от «чужих».

Вот эти-то взаимные влияния между цепями и не дают возможность беспредельно увеличивать скорость передачи импульсов по городским телефонным кабелям. Практически она 2 Мбит/с. Отсюда вывод: такие кабели не позволяют обмениваться видеопрограммами, ведь при передачи подвижного изображения биты «мчатся» со скоростью в 50 раз большей.

Иное дело междугородный коаксиальный кабель! Один проводник коаксиальной пары – обычный сплошной провод, а другой (по которому ток «возвращается» обратно) – полый медный цилиндр (рис. 5.3). Сплошной проводник помещен внутрь полого. Отсюда и название – коаксиальная пара, что означает имеющая общую ось (coaxis – соосный). Чтобы строго выдержать соосность проводников, пространство между ними заполняют изолирующим материалом (сплошным полиэтиленом, полиэтиленовыми шайбами и т.п.). Придумал такую конструкцию пары проводников еще в 1912 г. профессор Петербургского электротехнического института П.Д. Войнаровский (1886–1913), а использовать ее в кабелях связи предложил в 1934 г. американский изобретатель С.А. Щелкунов.

Коаксиальная пара – это поистине замечательное изобретение! Она не излучает электромагнитную энергию в пространство, а следовательно, не будет влиять на соседние цепи связи. Это имеет принципиально важное значение, поскольку позволяет повысить скорость передачи цифр.

Ток во внутреннем проводнике с ростом частоты также вытесняется на его поверхность. Этот процесс не отличается от описанного выше. Магнитное поле внутреннего проводника наводит в металлической толще внешнего проводника вихревые токи. На наружной стороне полого проводника эти вихревые токи направлены против основного тока («срабатывает» знакомое из школьного курса правило буравчика) и тем самым уменьшают, ослабляют его. Таким образом, ток в полом цилиндре вытесняется не наружу, а внутрь коаксиальной пары. Этот эффект ученые назвали эффектом близости. Он-то и является причиной, по которой электромагнитное поле концентрируется внутри коаксиальной пары и не излучается вне ее.

C ростом частоты действие эффекта близости увеличивается и поле все сильнее и сильнее концентрируется между внутренним и внешним проводниками. Именно поэтому по коаксиальным парам потоки информации могут «нестись» с колоссальной скоростью, превышающей сотни миллионов бит в секунду.

Междугородные симметричные кабели имеют такую же конструкцию пар, как и городские телефонные (два скрученных, изолированных проводника). Однако за счет небольшого количества пар и более тщательной их изоляции удается ослабить влияние между цепями и повысить тем самым скорость цифрового потока. По междугородным кабелям связи цифры передаются со скоростью порядка 8 Мбит/с.

Радиолинии

Что представляет собой радиоволна? Обратимся к проводнику, по которому протекает ток, изменяющийся во времени подобно синусоиде. Вокруг проводника с током создается переменное магнитное поле. Его интенсивность в каждой точке пространства будет меняться по такому же закону синусоиды. Переменное магнитное поле рождает в пустом пространстве переменное электрическое поле (тоже меняющееся в каждой точке пространства по синусоидальному закону). Обнаружить это поле можно с помощью другого проводника: электроны в нем придут в движение, появится переменный синусоидальный ток. В свою очередь меняющееся электрическое поле вновь рождает магнитное поле, а оно – электрическое и т.д. Причем возникающие электрические и магнитные поля, распространяясь, охватывают все новые и новые области пространства. Чем дальше расположена точка пространства от проводника с током, тем позднее достигнут ее колебания полей.

Взаимодействие электрического и магнитного полей не есть нечто обособленное, независимое друг от друга. Оно – проявление единого целого, которое носит название электромагнитного поля.

В физике изменяющееся во времени, т.е. движущееся, пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины называется волной. Волны мы наблюдаем при бросании камешков в воду. Волну можно пустить по натянутой веревке. Звуковые волны испускает колеблющаяся струна. Распространяющееся в пространстве электромагнитное поле образует электромагнитную волну.

Самые разные по своей природе волны имеют одну и ту же об­щую характеристику – длину волны. Пояснить ее можно на простом и знакомом примере движения волны на поверхности воды. Длина волны – это расстояние между соседними гребнями. Время, за которое один гребень сменяет другой, составляет период колебания волны Т. Если знать скорость с, с какой происходит эта смена, то легко вычислить расстояние между гребнями, т.е. длину волны, как произведение скорости на время: l = сТ. Величина, обратная периоду колебания волны, – это частота колебания f = 1/T. Поэтому l = с/f.

Скорость распространение электромагнитной волны равна ско­рости света с = 300 000 км/с. Следовательно, ток, колеблющийся с частотой, например 300 000 Гц, создает электромагнитную волну длиной 1 км, а с частотой 300 000 000 Гц – 1 м.

В диапазоне радиоволн – ультракоротковолновом – размещаются волны длиной от 10 м до 0,3 мм. Это очень широкий диапазон. Поэтому ультракороткие волны подразделяют на метровые, деци-, санти- и миллиметровые. Первые из них занимают частоты 30...300 МГц, а последние – частоты 30000...1000000 МГц. Для таких сверхвысоких частот (принято сокращение СВЧ) введены специальные обозначения: гигагерцем (ГГц) называют каждую тысячу мегагерц, а терагерцем (ТГц) – каждую тысячу гигагерц. Таким образом, миллиметровым волнам соответствуют частоты 30 ГГц...1 ТГц.

Ультракороткие волны не отражаются от ионосферы и почти не поглощаются ею. Они ведут себя подобно лучам света: пронизывают ионосферу и уходят в космос. В атмосфере Земли существует всего два «окна». Одно из них – в области видимого света. Им человечество пользуется уже тысячи лет, изучая звезды в телескоп. Второе – «радиоокно

» в области УКВ. Оно обнаружено только в XX в. благодаря развитию техники радиосвязи. Именно с помощью этого «окна» осуществляется связь с космическими кораблями.

Из-за «прямолинейного» характера распространения ультракоротких волн связь на них возможна только до тех пор, пока антенна приемника «видит» антенну передатчика. Если на пути волны встречается препятствие (высокий дом, гора, лес), то связь становится невозможной.

Системы вещания – радио- и телевизионного – служат для доставки информации от одного ее источника к большому числу потребителей. В системах же связи информацию нужно доставлять от каждого конкретного источника к каждому конкретному потребителю. Подходят ли для этого радиоволны? Ведь их можно принять в любой точке земного шара.

Вывод один: энергия радиоволн не должна рассеиваться в пространстве, ее нужно сконцентрировать в очень узкий луч. Од­нако хорошо концентрирует энергию только антенны достаточно больших по сравнению с длиной волны размеров. Это напоминает оптику, где размеры зеркал и линз во много раз превышают длину световой волны.

Вот еще одно неоспоримое преимущество ультракоротких волн: для них легко сделать не очень большие и исключительно направленные антенны, которые, условно говоря, фокусируют, «собирают» волну.

Вы обращали внимание, как концентрируется луч света в элект­рическом фонарике? Лампочка помещается в фокусе зеркального отражателя. Подобно этому рупор, излучающий электромагнитную волну, помещают в фокусе параболической антенны (рис. 5.4). Она как рефлектор собирает электромагнитные волны в узкий параллельный пучок лучей и направляет его на приемную антенну. Принимаемые волны в свою очередь «стягиваются» металлическим зеркалом приемной антенны на рупор и через рупор и волновод направляются к приемнику.

Итак, уже не трудно представить себе основные контуры радиолинии, работающей на УКВ. Передатчик – в основе его лежит специальный квантовый генератор, использующий внутреннюю энергию атомов, и вырабатывает СВЧ-колебания, которые по волноводу передаются в антенну. Посылаемый в эфир радиолуч достигает приемной антенны и по волноводному тракту добирается до приемника. А не мало ли это – всего один луч между двумя пунктами? Ведь тот же коаксиальный кабель содержит несколько коаксиальных пар, и по каждой из них можно передавать цифровые потоки с огромными скоростями – сотни мегабит в секунду. Следует заметить, что «пропускная способность» у УКВ-луча во много раз больше, чем у коаксиальной пары. Скорость цифрового потока, как вы помните, зависит от частотного диапазона, в котором работает линия связи. А у радиолинии на УКВ он значительно шире, значит эти волны могут перенести как мощные «тяжеловозы» большее количество бит в одну секунду – свыше тысячи мегабит.

Что же касается увеличения числа лучей, то делают так: несколько передатчиков, генерирующих волны различных длин, заставляют работать на общую антенну. Антенна, таким образом, излучает одновременно несколько лучей с различными длинами волн. В приемной антенне каждая волна отфильтровывается и точно в соответствии со своей длиной поступает в свой приемник. Говорят, что каждый такой луч образует ствол радиолинии. Обычно число стволов не превышает 4–5.

В 1935 г. между Нью-Йорком и Филадельфией вступила в строй радиолиния на ультракоротких волнах. Она имела протяженность 150 км. Чтобы перекрыть это расстояние, через 50 и 100 км были построены две промежуточные «релейные» станции, которые принимали ослабленные радиоволны, «заменяли» их новыми и посылали дальше. Сама радиолиния была названа радиорелейной. Первая радиорелейная линия в нашей стране была построена в 1953 г. между Москвой и Рязанью. Однако еще в начале 30-х годов советские инженеры М.И. Греков и В.М. Большеверов провели опыты по направленной радиосвязи на дециметровых волнах между Москвой и Люберцами.

Современная радиорелейная линия (РРЛ) состоит из двух основных и цепочки промежуточных радиорелейных станций (рис. 5.5). Каждая станция – это приемник, передатчик и высокая мачта (или башня) с антеннами. Для мачт выбирают возвы­шенные участки местности. С каждой из них видны две соседние мачты. Расстояние между промежуточными станциями обычно составляет 40...70 км. Протяженность линии может быть несколько тысяч километров. Радиоволны узким направленным лучом идут от одной станции к другой, принимаются там приемником, усиливаются передатчиком и отправляются к следующей станции.

Разновидностью радиорелейных линий являются спутниковые линии передачи, в которых роль ретранслятора выполняет не наземная промежуточная станция, а спутник связи (точнее, приемо­пе­редающий ретранслятор, помещенный на нем). На зем­ле строятся оконечные станции с параболическими антеннами и устройствами наведения на антенну спутника (рис. 5.6). Спутниковые линии передачи являются широкополосными. Спут­­никовые системы позволяют передавать телевизионные программы в отдаленные районы страны значительно дешевле, чем по наземным радиорелейным или кабельным линиям, а также организовать связь с труднодоступными районами, к которым протягивать наземные линии сложно и дорого, а иногда и просто невозможно.

Кроме описанных существуют и другие радиолинии (например, тропосферные, метеорные и др.).