Принципы передачи сигналов электросвязи

Перенос сигнала из одной точки пространства в другую осуществляет система передачи телекоммуникационных сигналов. Электрический (электромагнитный) сигнал является, по сути, формой представления телекоммуникационного сообщения для передачи его системой электросвязи

Источник сообщения (рис. 3.1) формирует сообщение a(t), которое с помощью специальных устройств преобразуется в электрический сигнал s(t). Например, при передаче речи такое преобразование выполняет микрофон.

Чтобы передать сигнал в системе электросвязи, нужно воспользоваться каким-либо переносчиком. В качестве переносчика естественно использовать те материальные объекты, которые имеют свойство перемещаться в пространстве, например, электромагнитные сигналы, передаваемые в различных средах распространения.

В зависимости от среды распространения различают проводную и беспроводную связь. Проводная связь, в свою очередь бывает на кабелях с металлическими проводами, переносчиком является электрические сигналы и на волоконно-оптическиз кабелях, переносчиком является свет в ИК диапазоне.

Беспроводная связь – это передача сигналов с помощью радиосигналов, светового или инфракрасного луча в открытом пространстве (оптическая связь).

На рис. 3.2 показано использование шкалы частот и волн различных типов для различных видов связи.

Таким образом, в пункте передачи (рис. 3.1) первичный сигнал s(t) необходимо преобразовать в сигнал , удобный для его передачи по соответствующей среде распространения. В пункте приема выполняется обратное преобразование. В отдельных случаях (например, когда средой распространения является пара физических проводов, как в городской телефонной связи) указанное преобразование сигнала может отсутствовать.

Доставленный в пункт приема сигнал должен быть снова преобразован в сообщение (например, с помощью телефона при передаче речи) и затем передан получателю.

Рис. 3.1. Система электросвязи

Рис. 3.2. Использование шкалы частот в электросвязи

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

Для различных сообщений качество их передачи оценивается по-разному. Принятое телефонное сообщение должно быть достаточно разборчивым, абонент должен быть узнаваемым. Для телевизионного сообщения существует стандарт (таблица на экране телевизора), по которому оценивается качество принятого изображения.

Количественной оценкой верности передачи дискретных сообщений служит отношение числа ошибочно принятых элементов сообщения к числу переданных элементов - частота ошибок (или коэффициент ошибок).

Модуляция

Амплитудная модуляция

Обычно в качестве переносчика используют гармоническое колебание высокой частоты - несущее колебание. Процесс преобразования первичного сигнала заключается в изменении одного или нескольких параметров несущего колебания по закону изменения первичного сигнала (т.е. в наделении несущего колебания признаками первичного сигнала) и называется модуляцией.

Запишем гармоническое колебание, выбранное в качестве несущего, в следующем виде:

. (3.1)

Это колебание полностью характеризуется тремя параметрами: амплитудой V, частотой и начальной фазой . Модуляцию можно осуществить изменением любого из трех параметров по закону передаваемого сигнала.

Изменение во времени амплитуды несущего колебания пропорционально первичному сигналу s(t), т.е. , где - коэффициент пропорциональности, называется амплитудной модуляцией (AM).

На рис. 3.3 показана форма передаваемого сигнала (а), несущего колебания до модуляции (б) и модулированного по амплитуде несущего колебания (в).

Рис. 3.3. Передаваемый сигнал (а), несущее колебание (б) и модулированный сигнал (в)

Угловая модуляция

Можно изменять во времени пропорционально первичному сигналу s(t) не амплитуду, а частоту несущего колебания:

, (3.3)

где - коэффициент пропорциональности; величина - называется девиацией частоты (фактически это максимальное отклонение частоты модулированного сигнала от частоты несущего колебания).

Такой вид модуляции называется частотной модуляцией. На рис. 3.5 показано изменение частоты несущего колебания при частотной модуляции.

При изменении фазы несущего колебания получим фазовую модуляцию

(3.4)

где - коэффициент пропорциональности; - индекс фазовой модуляции.

Рис. 3.5. Исходный (а) и частотно-модулированный (б) сигналы

Иногда отдельно рассматривают модуляцию гармонического несущего колебания по амплитуде, частоте или фазе дискретными первичными сигналами , например цифровыми сигналами передачи данных. Модуляция при передаче дискретных сигналов носит название манипуляция. Выделяют соответственно амплитудную (Amplitude Shift Keying - ASK), частотную (Frequency Shift Keying - FSK) и фазовую (Phase Shift Keying - PSK) манипуляции. На рис. 3.6 показан дискретный первичный сигнал (а), несущее колебание, модулированное по амплитуде (б), частоте (в) и фазе (г).

.

Рис. 3.6. Дискретный сигнал (а) и несущее колебание, модулированное этими сигналами по амплитуде (б), частоте (е) и фазе (г)

Демодуляция сигналов

В пункте приема (см. рис. 3.1) необходимо извлечь первичный сигнал из переносчика, т.е. осуществить демодуляцию принятого сигнала.

Например, при демодуляции АМ-сигнала необходимо выделить закон изменения амплитуды модулированного несущего сигнала, т.е. его огибающую. Эта операция выполняется с помощью амплитудного детектора

Многоканальная передача

Использование одной линии связи для передачи телекоммуникационных сообщений только от одного пользователя неэффективно и дорого, поскольку во всей системе передачи более всего средств вкладывается в линейное оборудование.

Если в линии связи одновременно можно предавать только одно телекоммуникационное сообщение, то говорят об одноканальной линии связи.

Как правило, спектры пользовательских сигналов намного уже, чем полоса пропускания линии связи. Например, телефонный сигнал занимает спектр от 300 до 3400 кГц, а полоса пропускания медной линии связи составляет несколько МГц.

Таким образом, при одновременной передаче по одной линии связи большого количества первичных телекоммуникационных сигналов от разных источников говорят об многоканальной передаче, то есть организации в одной линии связи множества каналов.

На рис.3.11 приведена типовая структурная схема системы многоканальной связи.

Реализация сообщений каждого источника а₁(t), а₂(t),...,а_N(t) с помощью индивидуальных передатчиков (модуляторов) М₁, М₂, ..., М_N преобразуются в соответствующие канальные сигналы s₁(t), s₂(t),...,s_N(t). Совокупность канальных сигналов на выходе суммирующего устройства  образует групповой сигнал s(t). Наконец, в групповом передатчике М сигнал s(t) преобразуется в линейный сигнал s_Л(t), который и поступает в линию связи ЛС. Допустим, что линия пропускает сигнал практически без искажений и не вносит шумов. Тогда на приемном конце линии связи линейный сигнал s_Л(t) с помощью группового приемника П может быть вновь преобразован в групповой сигнал s(t). Канальными или индивидуальными приемниками П₁, П₂, ..., П_N из группового сигнала s(t) выделяются соответствующие канальные сигналы s₁(t), s₂(t), ...,s_N(t) и затем преобразуются в предназначенные получателям сообщения а₁(t), a₂(t), ..., a_N(t).

Рис. 3.11. Структурная схема систем многоканальной связи

Канальные передатчики вместе с суммирующим устройством образуют аппаратуру объединения. Групповой передатчик М, линия связи ЛС и групповой приемник П составляют групповой канал связи (тракт передачи), который вместе с аппаратурой объединения и индивидуальными приемниками составляет систему многоканальной связи.

Индивидуальные приемники системы многоканальной связи П_K наряду с выполнением обычной операции преобразования сигналов s_K(t) в соответствующие сообщения а_K(t) должны обеспечить выделение сигналов s_K(t) из группового сигнала s(t). Иначе говоря, в составе технических устройств на передающей стороне многоканальной системы должна быть предусмотрена аппаратура объединения, а на приемной стороне - аппаратура разделения.