Общие принципы построения систем связи

Современная система связи представляет собой сложную совокупность устройств, выполняющих преобразования сообщений и сигналов с целью наиболее эффективной передачи информации.

К показателям эффективности относятся достоверность и скорость передачи информации, а также некоторые другие величины.

Сообщения – это совокупность сведений об окружающих нас предметах, явлениях. Сообщения могут быть звуковыми (речь, музыка), световыми (изображения неподвижных и подвижных объектов), текстовыми (буквенно-цифровые сообщения).

Обобщенная структурная схема системы связи (рис. 1.5) отражает наиболее типичные преобразования, которым подвергается сообщение в системе связи, она справедлива для любых видов сообщений. Рассмотрим назначение основных блоков системы связи.

Рис. 1.5. Обобщенная структурная схема системы связи

Источник информации – источник сообщения подлежащего передаче (человек, окружающая среда и т.п.).

Сообщение – речь, музыка, текст, изображение, параметры некоторых объектов и т.п.

Кодер – а) преобразует неэлектрическое сообщение в электрический сигнал (сигнал – это электрическая копия сообщения).

б) преобразует аналоговый (непрерывный) сигнал в дискретный (цифровой);

в) осуществляет эффективное кодирование с целью уменьшения необходимой скорости передачи информации при заданном качестве (устранение избыточности сообщения);

г) осуществляет помехоустойчивое кодирование, позволяющее улучшить качество принимаемого сообщения.

Генератор несущий – генерирует колебания с постоянной амплитудой, частотой, фазой.

Модулятор – изменяет амплитуду, частоту или фазу переносчика в соответствие с модулирующим сигналом, поступающим от кодера.

Выходное устройство – усиливает сигнал, для обеспечения заданного качества связи и ограничивает спектр излучаемого сигнала до полосы частот, отведённой для заданной системы связи.

Кодер, модулятор, генератор несущей и выходное устройство образуют передатчик.

Линия связи – совокупность технических устройств (кабель, двухпроводная линия, оптическая линия связи) или эфир, по которым сигнал поступает от передатчика к приёмнику. Напряжение на входе приёмника можно записать как:

,

где U_прм(t) – напряжение на входе приёмника;

K(t) – мультипликативная помеха (это переменный коэффициент передачи линии связи);

U_прд – напряжение на выходе передатчика;

x(t) – аддитивная помеха (тепловой шум, помеха от соседних передатчиков, помехи от различных технических устройств и т.п.).

Входное устройство – выделяет сигнал своего передатчика, отфильтровывает (не пропускает) сигналы соседних по частоте передатчиков и часть помех, усиливает сигнал.

Демодулятор – преобразует ВЧ модулированный сигнал в НЧ модулирующий (сигнал на выходе демодулятора, примерно, соответствует тому, что было на входе модулятора).

Декодер – а) принимает решение по каждой посылке (1 или 0);

б) декодирует кодовые комбинации, исправляет часть ошибок;

г) преобразует кодовые комбинации в сообщения удобные для получателя.

Получатель сообщения – человек, компьютер или другие технические устройства.

Входное устройство, демодулятор и декодер образуют приемник.

КОДЕР + ДЕКОДЕР = КОДЕК

МОДУЛЯТОР + ДЕМОДУЛЯТОР = МОДЕМ

КОДЕР+МОДУЛЯТОР+ДЕКОДЕР+ДЕМОДУЛЯТОР=КОДЕМ

С кодированием не следует путать шифрование сообщений. Цель шифрования состоит в предотвращении несанкционированного извлечения или преднамеренного изменения информации. При шифровании производится замена открытого сообщения шифрограммой (шифр-текстом), а при расшифровании происходит обратное преобразование. Шифрование выполняется до преобразования сообщения в первичный сигнал или в кодовую последовательность.

Таким образом, для модуляции в зависимости от сложности системы применяется первичный сигнал или последовательность кодовых символов.

В качестве переносчика часто используют гармоническое колебание A∙cos(ωt+φ) , которое имеет три параметра: амплитуду A , круговую частоту ω = 2πf и начальную фазу φ. Поэтому возможны три вида модуляции гармонического переносчика аналоговым сигналом: амплитудная модуляция (АМ), частотная модуляция (ЧМ) либо фазовая модуляция (ФМ), рис. 1.6.

Рис. 1.6. Несущее гармоническое колебание (а) и получаемые на его основе модулированные сигналы: АМ (б), ЧМ (в) и ФМ (г)

Во многих случаях роль переносчика в системах связи играет периодическая последовательность импульсов одинаковой формы (часто импульсы считают в первом приближении прямоугольными).

При заданной форме импульсов последовательность характеризуется амплитудным (пиковым) значением, длительностью импульсов и периодом повторения. Поэтому при аналоговом первичном сигнале различают:

– амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ), при которой по закону изменения первичного сигнала изменяется амплитуда импульсов;

– широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), при которой изменяется длительность («ширина») импульсов;

– время-импульсную модуляцию (ВИМ), при которой изменяется время задержки импульсов относительно среднего положения;

– частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ), когда в такт с первичным сигналом изменяется частота следования импульсов.

Широко применяют также модуляцию гармонического колебания квантованным (цифровым) первичным сигналом. Различают три вида дискретной (цифровой) модуляции (манипуляции): амплитудную (ДАМ, ЦАМ), частотную (ДЧМ, ЦЧМ) и фазовую (ДФМ, ЦФМ), рис. 1.7. Участок манипулированного сигнала, в течение которого модулируемый параметр постоянен, называется элементарной посылкой, или просто посылкой.

Рис. 1.7. Виды дискретной модуляции (манипуляции) гармонического колебания: ДАМ (а), ДЧМ (б), ДФМ (в)

Колебание при дискретной модуляции характеризуют технической скоростью (скоростью модуляции, скоростью телеграфирования), равной количеству элементарных посылок в секунду. Единицей измерения скорости модуляции является бод (1 бод соответствует одной посылке в секунду).

Демодуляция заключается в восстановлении первичного сигнала по принятому искаженному колебанию, а декодирование – в восстановлении дискретного сообщения по демодулированному сигналу.

Часто перед демодуляцией применяют дополнительное преобразование с целью повышения достоверности (уменьшения вероятности ошибки). Такое преобразование называют обработкой.

Оптимальной называется обработка, обеспечивающая наивысшую достоверность решения.

Если оптимальная обработка оказывается слишком сложной и/или дорогостоящей, применяют квазиоптимальную (субоптимальную) обработку, которая проще и дешевле и при этом обеспечивает достоверность, близкую к предельной. Часто квазиоптимальная обработка представляет собой фильтрацию принятого колебания с целью подавления помех.

Классификация систем связи

По виду передаваемых сообщений различают:

1) телеграфию (передача текста),

2) телефонию (передача речи),

3) фототелеграфию (передача неподвижных изображений),

4) телевидение (передача подвижных изображений),

5) телеметрию (передача результатов измерений),

6) телеуправление (передача управляющих команд),

7) передачу данных (в вычислительных системах и АСУ).

По диапазону частот – в соответствии с декадным делением диапазонов электромагнитных волн от мириаметровых (3÷30) кГц до децимиллиметровых (300÷3000) ГГц.

По назначению – вещательные (высококачественная передача речи, музыки, видео от малого числа источников сообщений большому количеству их получателей) и профессиональные (связные), в которых число источников и получателей сообщений одного порядка.

Различают следующие режимы работы СС:

1) симплексный (передача сигналов в одном направлении),

2) дуплексный (одновременная передача сигналов в прямом и обратном направлениях),

3) полудуплексный (поочередная передача сигналов в прямом и обратном направлениях).

Каналом связи называется комплекс радиотехнических устройств, при помощи которых передается и принимается информация, плюс среда между ними. В зависимости от вида сигналов на входе и выходе различают каналы: непрерывные; дискретные; дискретно-непрерывные; непрерывно-дискретные.

Каналы связи можно характеризовать по аналогии с сигналами следующими тремя параметрами:

– временем доступа Т_к,

– шириной полосы пропускания ΔF_к,

– динамическим диапазоном [дБ],

где P_к.доп. – максимально допустимая мощность сигнала в канале,

P_ш – мощность собственных шумов канала.

Обобщенным параметром канала является его емкость

.

Очевидным необходимым условием согласования сигнала и канала является выполнение неравенства Vc < Vк.