Общие принципы построения систем связи

Тема 2. Основи радіопередачі та радіоприйому.

Заняття 2. Сутність радіозв'язку.

Общие принципы построения систем связи

Системы связи служат для передачи информации.

Под информацией понимаются сведения о каком-либо событии или предмете, поступающие к получателю извне в результате его взаимодействия с окружающей средой. Подлежащая передаче информация содержится в сообщении.

Под сообщением понимается форма представления информации. При телефонной передаче и вещании сообщение — это непрерывное изменение во времени звукового давления, при телеграфной передаче сообщением является последовательность отдельных (дискретных) символов — букв, цифр или условных знаков.

Дискретными называются такие сообщения, которые характеризуются конечным числом символов, подлежащих передаче за конечный промежуток времени.

Непрерывные (или, как их иногда называют, аналоговые) сообщения характеризуются бессчетным множеством значений на протяжении конечного промежутка времени.

В зависимости от характера передаваемых сообщений системы связи делят на системы передачи непрерывных сообщений и системы передачи дискретных сообщений.

К системам передачи дискретных сообщений относится система телеграфной передачи — самый старый вид электрической связи.

К системам передали дискретной информации относится и самый молодой вид электрической связи – передача данных. Передача данных (ПД) — это область электросвязи, целью которой является передача информации для ее обработки электронными вычислительными машинами (ЭВМ) или уже обработанной ими.

Передача данных предусматривает передачу информации от различных источников — телеграфных аппаратов, трансмиттеров, датчиков, накопителей на магнитных лентах (НМЛ), магнитных барабанах (НМБ), магнитных дисках (НМД) к ЭВМ, от ЭВМ к различным приемникам информации — реперфораторам, печатающим устройствам, устройствам отображения, графопостроителям и т. п., а также передачу данных между ЭВМ.

Рассмотрим структурную схему передачи сообщений (рис.1). Источник сообщений формирует непрерывное или дискретное сообщение. Чтобы передать это сообщение средствами электросвязи, необходимо с помощью специального устройства преобразовать его в электрический сигнал, имеющий форму, удобную для передачи с помощью системы электросвязи. При передаче телеграмм такое преобразование выполняет передающая часть телеграфного аппарата. Перенос сигнала из одной точки пространства в другую осуществляет система электросвязи. Доставленный в пункт приема сигнал должен быть преобразован снова в сообщение (например, с помощью приемной части телеграфного аппарата при приеме телеграмм) и затем передан получателю сообщения.

Рисунок 1 – Структурная схема системы передачи сообщений (ПДС)

Передача информации всегда сопровождается помехами и искажениями. Это приводит к тому, что сигнал на выходе системы электросвязи и принятое сообщение в какой-то мере отличаются от сигнала на входе и переданного сообщения. Степень соответствия принятого сообщения переданному, называют верностью передачи информации.

Система электросвязи должна обеспечивать передачу информации с высокой степенью верности как от одного отправителя к одному получателю (одноканальная система), так и для одновременной передачи независимых сообщений от нескольких отправителей к нескольким получателям (многоканальная система).

1-е питання - Види радіосигналів та їх коротка характеристика

То, что человек видит, слышит, помнит, знает, переживает, все это различные формы информации. Следовательно, в широком смысле информацию можно определить как совокупность знаний об окружающем нас мире. В таком понимании информация является важнейшим ресурсом научно-технического прогресса и социально-экономического развития общества и наряду с материей и энергией принадлежит к фундаментальным философским категориям естествознания.

Понятия «информация» (от лат. informatio - разъяснение, изложение) и «сообщение» в настоящее время неразрывно связаны между собой. Эти близкие по смыслу понятия сложны, и дать их точное определение через более простые нелегко.

Информация - это совокупность сведений или данных о каких-либо событиях, явлениях или предметах, то есть это совокупность знаний об окружающем нас мире.

Передача и хранение информации осуществляется с помощью различных знаков (символов), которые позволяют представить её в некоторой форме.

Сообщение это совокупность знаков, отображающих ту или иную информацию. Передача сообщений (а, следовательно, и информации) на расстояние осуществляется с помощью какого-либо материального носителя, например, бумаги или магнитной ленты или физического процесса, например, звуковых или электромагнитных волн, тока и т.д.

Сообщения могут быть функциями времени, например речь при передаче телефонных разговоров, температура или давление при передаче телеметрических данных, спектакль при передаче по телевидению и т.п. В других случаях сообщение не является функцией времени (например, текст телеграммы, неподвижное изображение и т.д.).

Для передачи сообщений от источника к получателю с помощью электрической связи используют сигналы.

Сигнал - это физический процесс, отображающий передаваемое сообщение, т.е. это изменяемая физическая величина (ток, напряжение, электромагнитное поле, световые волны и т.д.). В качестве сигналов в настоящее время в основном используются электрические и оптические сигналы. В электронике сигналом может быть все - от компьютерных цифровых импульсов и до импульсов, модулированных радиоволнами УКВ диапазона. Сигнал передаёт (развёртывает) сообщение во времени, то есть всегда является функцией времени. Сигналы формируются путём изменения тех или иных параметров физического носителя в соответствии с передаваемым сообщением.

Понятие «сигнал» достаточно емкое и в общем случае обозначает условный знак для передачи на расстояние каких-нибудь сведений. В данных материалах под сигналом понимается носитель информации в виде поля или потока микрочастиц (электронов, ядер гелия).

Состав естественных и искусственных сигналов многообразен. К ним относятся собственные (обусловленные тепловым движением электронов, световые, радиоактивные) излучения объектов, отраженные от объектов поля и излучения, а также разнообразные созданные человеком источники электромагнитных излучений (радио и электрические устройства, приборы, средства). Последние могут рассматриваться как самостоятельные объекты защиты, например, радиостанции, так и входить в состав других объектов.

Классификация сигналов представлена на рис. 1.1.

Рисунок 1.1 - Классификация сигналов

Различают первичные и вторичные сигналы. Первичные электрические сигналы (ПЭС) возникают в результате непосредственного преобразования сообщения в электромагнитное колебание, обычно на выходе оконечных устройств. К ним относятся колебания тока микрофона, тока на выходе телеграфного аппарата и т. п. Характерным для первичных сигналов является относительно малая скорость их изменения и, следовательно, возможность передачи по низкочастотным каналам связи, например таким, как проводные. Так для передачи речи достаточен канал, пропускающий колебания от 300 до 3400 Гц. При телеграфной связи требуется полоса пропускания до нескольких сотен герц.

Первичный электрический сигнал носит низкочастотный характер. Он может быть непосредственно переданным по проводным линиям связи, но он не может эффективно излучаться в среду распространение радиоволн, поскольку очень сложно создать излучатели, соизмеримые с длиной волны сигнала.

Для передачи по радио сообщение преобразовывается в первичный электрический сигнал. Такая запись осуществляется в результате модуляции (манипуляции) первичным сигналом высокочастотного колебания. В результате образуется сигнал, который будем называть вторичным.

На (рис.1.2, а, в) показаны образцы первичных и вторичных (рис.1.2, б, г) сигналов при передаче речи (непрерывного сообщения) и телеграммы (дискретного сообщения).

Рисунок 1.2 - Образцы первичных (а, в) и вторичных (б, г) сигналов

В зависимости от характера сообщения первичные сигналы могут быть непрерывными или дискретными.

Понятие о непрерывности и дискретности имеет очень большое значение в теории связи. Дискретной величиной называется величина, принимающая только определенное число значений. Величина, которая может принимать бессчетное множество значений, называется непрерывной. Например, число вагонов в составе - дискретная величина, а вес вагона - непрерывная, т.к. этот вес может быть любым в пределах грузоподъемности вагона.

Сигнал передаёт сообщение во времени. Следовательно, он всегда является функцией времени, даже если сообщение (например, неподвижное изображение) таковым не является.

Дискретный или дискретный по уровню (амплитуде) сигнал это сигнал, (заданный только в определённые моменты времени) принимающий по величине (амплитуде) только определённые дискретные значения.

Дискретные сигналы принимают конечное число вполне определенных значений Наиболее общим примером дискретных сигналов могут служить сигналы с двумя уровнями - логическая единица и логический ноль, применяемые в цифровой технике.

Дискретный сигнал это совокупность цифр, букв (в качестве примера можно привести напечатанный текст). Как только этот текст зазвучал, т.е. превратился в сигнал, он стал непрерывным.

Всякий сигнал непрерывен. Все, что мы видим на осциллографе - непрерывные сигналы.

Непрерывные сигналы принимают любые уровни значений по состояниям в некотором интервале величин. Типичным примером непрерывного сигнала является речевой сигнал: его амплитуда непрерывно меняется во времени в пределах ±Umax.

Непрерывный по времени сигнал это сигнал, заданный на всей оси времени.

Например, речь является сообщением непрерывным как по уровню, так и по времени, а датчик температуры, выдающий её значения через каждые 5 мин, служит источником сообщений, непрерывных по величине, но дискретных по времени.

К аналоговым сигналам относятся сигналы, уровень (амплитуда) которых может принимать произвольные значения в определенном для сигнала интервале.

Амплитуда простого и достаточно распространенного в природе аналового гармонического сигнала изменяется по синусоидальному закону

На рис. 1.3 наглядно проиллюстрированы различные виды сигналов.

Сигнал по определению есть физический процесс, т.е. некоторая зависимость от времени. Т.к. время непрерывно, сигнал также непрерывен во времени. Если не углубляться до квантовых уровней - сигнал непрерывен и по множеству, он может принимать любое значение внутри некоторого диапазона.

Все сигналы можно представить как во временной, так и в частотной областях. Частотное изображение сигнала называется его спектром. Если по временной диаграмме можно судить о форме сигнала, то по спектру о его содержании. В этом проявляется диалектический закон единства формы и содержания.

Основными параметрами сигналов являются длительность сигнала Tc, динамический диапазон D_c и ширина спектра ΔFc.

Рисунок 1.3 - Виды сигналов:

а) непрерывный сигнал; б) дискретный по времени сигнал; в) сигнал, квантованный по уровню; г) цифровой сигнал

Таким образом, аналоговый сигнал описывается набором параметров, являющихся его признаками. К ним относятся:

- частота гармонического или диапазон частот для нерегулярного сигнала;

- фаза сигнала;

- длительность сигнала;

- амплитуда или мощность сигнала;

- ширина спектра сигнала;

- динамический диапазон сигнала.

Динамическим диапазоном сигнала называют отношение максимальной мгновенной мощности сигнала к минимальной. В реальных условиях минимальная мощность сигнала ограничена уровнем помех, который она всегда должна превышать.

D_c = 10g = P_{c max} - P_{c min} (дБ)

Например, в радиовещании динамический диапазон часто сокращают до 30...40 дБ (1000-10000 раз) во избежание перегрузок канала.

Ширина спектра – этот параметр дает представление о скорости изменения сигнала внутри интервала его существования.

Спектр сигнала, в принципе, может быть неограниченным. Однако для любого сигнала можно указать диапазон частот, в пределах которого сосредоточена его основная энергия. Этим диапазоном и определяется ширина спектра сигнала. В технике связи спектр сигнала часто сознательно сокращают. Это обусловлено тем, что аппаратура и линия связи имеют ограниченную полосу пропускаемых частот. Сокращение спектра осуществляется исходя из допустимых искажений сигнала.

Например, ширина спектра телефонного сигнала:

(Гц), а ширина спектра телевизионного сигнала при стандарте 625 строк составляет около 6 (МГц). Ширина спектра телеграфного сигнала зависит от скорости передачи и обычно принимается равной 1,5V (Гц), где V – скорость телеграфирования в бодах, т.е. число символов, передаваемых в секунду. Так, при скорости передачи V =50 Бод ширина спектра телеграфного сигнала (Гц). Спектр модулированного сигнала (вторичного сигнала) обычно шире спектра передаваемого сообщения (первичного сигнала) и зависит от вида модуляции.

Часто вводят довольно общую и наглядную характеристику – объем сигнала:

.

Совокупность гармонических составляющих сигнала образуют его спектр.

Амплитуда каждой спектральной составляющей характеризует энергию сигнала на соответствующей гармонике основной частоты. Чем выше скорость изменения амплитуды сигнала, тем больше доля в его спектре высокочастотных гармоник. Разность между максимальной и минимальной частотами спектра сигнала, между которыми сосредоточено основная часть, например, 95%, называется шириной спектра. Графическое изображение спектра периодического сигнала представлено на рис.1.4.

Рис. 1.5. Спектр периодического аналового сигнала.

Частоты составляющих спектра непериодического аналогового сигнала непрерывно меняются. При наблюдении спектра такого сигнала на экране спектроанализатора положение и уровень различных спектральных составляющих непрерывно меняются и спектр выглядит как сплошной. В соответствии с изменением амплитуды аналогового сигнала меняется его энергия или мощность (так как мощность пропорциональна квадрату амплитуды). В зависимости от времени измерения энергии сигнала различают среднюю и мгновенную мощность. Десятичный логарифм отношения максимальной мощности сигнала к минимальной называется динамическим диапазоном сигнала.

Объем сигнала Vc coздает общее представление о возможностях данного множества сигналов как переносчиков сообщений. Чем больше объем сигнала, тем больше информации можно вложить в этот объем, но тем труднее передать такой сигнал по каналу связи.

Fc= …F – полоса занимаемая сигналом.

= -F - ширина полос частот первичного сигнала.

Для передачи по радио первичный сигнал должен быть преобразован в высокочастотный сигнал. С этой целью используются высокочастотные гармонические колебания, один или несколько параметров которых (амплитуда, частота или фаза) подвергается модуляции, т.е. изменению, прямо пропорциональному значениям первичного сигнала. Модуляцию высокочастотных колебаний дискретными сигналами обычно называют манипуляцией.

2-е питання - Загальні відомості про види модуляції. Формування телефонних та телеграфних радіосигналів.

Модуля́ция (От лат. "modulatio" — мерность, размерность) — процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного модулируемого колебания под воздействием относительно низкочастотного управляющего модулирующего сигнала.

Радиосвязь осуществляется путем передачи энергии электромагнитных колебаний высокой частоты от передающей антенны к приемной. Спектр, отображающий передаваемое сообщение, расположен в более низких (звуковых) частотах, поэтому для обеспечения радиосвязи изменяют один из параметров высокочастотного колебания (несущей) по закону изменения низкочастотного сигнала. Этот процесс называется модуляцией. Различают амплитудную, частотную и фазовую модуляцию непрерывных сигналов.

Модуляция дискретным сигналом называется манипуляцией.

В результате спектр управляющего сигнала переносится в область высоких частот, где передача электромагнитных сигналов посредством излучения более эффективна. Передаваемая информация заложена в управляющем сигнале. Роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим. В качестве несущего могут быть использованы колебания различной формы (прямоугольные, треугольные и т. д.), однако чаще всего применяются гармонические колебания. В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания изменяется, различают вид модуляции (амплитудная, частотная, фазовая и др.).

Модуляция - это процесс, при котором высокочастотная волна используется для переноса низкочастотной волны.

Что бы в этих колебаниях разместить информацию о звуковых сигналах, у них изменяют какой-либо параметр, например, амплитуду, синхронно с колебаниями низкой частоты. Этот процесс называют модуляцией высокочастотных колебаний низкочастотными.

На рисунке показан процесс амплитудной модуляции, при котором высокочастотный сигнал (верхний график) изменяется в соответствии с низкочастотным сигналом (центральный график) и получается модулированный сигнал (график внизу).

Для передачи сообщений звуковой частоты (речь, музыка, изображение) сигналы преобразовывают в электрическую форму. В такой форме эти сигналы не всегда пригодны для эффективного излучения с помощью антенн и распространения в свободном пространстве, так как представляют собой низкочастотные колебания, которые быстро затухают. Для передачи низкочастотных колебаний на большие расстояния используются высокочастотные колебания, которые обладают свойствами, необходимыми для передачи на большие расстояния. Содержащее сообщение низкочастотное колебание как бы накладывают на высокочастотное колебание, в результате чего оно изменяется по закону передаваемого сообщения.

Высокочастотное колебание называется несущим, а передаваемое сообщение, содержащее низкочастотное колебание, называется управляющим ( модулирующим ) сигналом.

преобразование колебаний – процессы изменения амплитуды, частоты или фазы при модуляции и детектировании.

Рис.1. Изображение модулятора:

Uнес – несущее колебание; Uупр – управляющий сигнал; Uмод – модулированное колебание

Модуляцию осуществляют в специальных устройствах – модуляторах (рис. 1.)

На два входа модулятора подают управляющий (низкочастотный) сигнал Uупр и гармоническое несущее (высокочастотное) колебание Uнес, а на выходе появляется модулированное (высокочастотное) колебание.

В зависимости от того, воздействует ли модулирующий сигнал на амплитуду, частоту или фазу несущего высокочастотного колебания, различают соответственно амплитудную, частотную или фазовую модуляцию

Модуляция применяется для преобразования первичных сигналов электросвязи во вторичные и обратно. При этом осуществляется передача сигналов по линии или каналу связи с пропускаемой полосой частот с ненулевыми нижней и верхней границами - так называемый канал с эффективно передаваемой полосой частот (ЭППЧ).

Спектр первичного сигнала (верхняя и нижняя частоты) обычно не совпадает с полосой пропускания канала, поэтому спектр сигнала нужно перенести в полосу пропускания канала.

Спектр исходного сигнала и полоса пропускания канала связи

В результате спектр управляющего сигнала переносится в область высоких частот, ведь для эффективного вещания в пространство необходимо чтобы все приёмо-передающие устройства работали на разных частотах и «не мешали» друг другу. Это процесс «посадки» информационного колебания на априорно известную несущую. Передаваемая информация заложена в управляющем сигнале. Роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим. В качестве несущего могут быть использованы колебания различной формы (прямоугольные, треугольные и т. д.), однако чаще всего применяются гармонические колебания. В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания изменяется, различают вид модуляции (амплитудная, частотная, фазовая и др.). Модуляция дискретным сигналом называется цифровой модуляцией или манипуляцией.

Модуляция колебаний, медленное по сравнению с периодом колебаний изменение амплитуды, частоты или фазы колебаний по определённому закону. Соответственно различаются амплитудная модуляция, частотная модуляция и фазовая модуляция.

При любом способе модуляции скорость изменения амплитуды, частоты или фазы должна быть достаточно малой, чтобы за период колебания модулируемый параметр почти не изменился.