Особенности систем цифровой связи

Введение

Целью курса является изучение основных закономерностей и методов передачи сообщений по каналам связи. Основные задачи, решаемые в курсе:

· Математические модели сообщений, сигналов, и помех

· Методы формирования и преобразования (в том числе – цифровой обработки) сигналов в цепях электросвязи

· Анализ помехоустойчивости и пропускной способности систем электросвязи

· Методы экономного и помехоустойчивого кодирования

· Методы оптимального приема сообщений

· Принципы многоканальной передачи и распределения информации в сетях связи

· Вопросы анализа, синтеза, проектирования и оптимизации систем связи

Основы современной (статистической) теории связи были заложены в фундаментальных работах

· В.А. Котельникова по теории потенциальной помехоустойчивости (1947)

· К. Шеннона по теории информации (1948)

Отдельные важные вопросы теории связи рассматривались в работах

· Х. Найквиста (1928) и В.А. Котельникова (1933) – сформулирована и доказана теорема отсчетов

· Р. Хартли (1928) – введена логарифмическая мера количества информации

· Д.В. Агеева (1935) – по теории линейного разделения каналов

· А.Я. Хинчина (1838) – по корреляционной теории случайных стационарных процессов

· А.Н. Колмогорова (1941) и Н. Винера (1943) – по интерполированию и экстраполированию случайных стационарных последовательностей

· А. Вальда (1950) – по теории статистических решений

Дальнейшее развитие теория связи получила в работах Р. Райса, А.А. Харкевича в.И. Сифорова, Р. Галлагера, Х. Хелстрома, Р. Фано, Л.М. Финка, Д. Витерби и других ученых.

Информация, сообщения, сигналы

Информация – совокупность сведений, данных о каком-либо событии, явлении или предмете.

Для передачи и хранения информации используют знаки (символы), позволяющие выразить информацию в той или иной форме: цифры и другие математические знаки, буквы, слова и фразы, рисунки и т.д.

Совокупность знаков, отображающих ту или иную информацию, называется сообщением. Так, телеграфное сообщение – последовательность букв и цифр. Телефонное сообщение отображается непрерывным изменением звукового давления и отображает не только содержание, но и свойства речи – тембр, интонацию, ритм и т.д. Телевизионное сообщение формируется посредством изменения во времени яркости элементов изображения движущихся объектов.

Физический процесс, позволяющий передать сообщение от источника получателю, называется сигналом. В технике связи и системах управления обычно применяют электрические сигналы – токи и напряжения.

Первичный сигнал, отображающий сообщение, - обычно низкочастотный. Он получается на выходе датчика – преобразователя неэлектрической величины в электрическую. Например, - микрофон при передаче речи или телевизионная камера – при передаче телевизионного изображения. В некоторых случаях первичный сигнал непосредственно передают по линии связи. Например, - в городской телефонной сети.

Для передачи сообщений на большие расстояния (по кабелю или радиоканалу) используются высокочастотные сигналы – переносчики. Эти сигналы имеют параметры. Параметры разделяются на информационные и неинформационные.

Информация отображается в сигнале путем изменения его информационных параметров по закону передаваемой информации. Этот процесс называется модуляцией.

Сообщения и сигналы могут быть как непрерывными, так и дискретными. Непрерывные сигналы описываются непрерывными функциями времени, например - речь. Операция дискретизации по времени – взятия отсчетов, непрерывного сигнала превращает его в сигнал, непрерывный по уровню, но дискретный по времени. Дискретизация этого сигнала по уровню - квантование – дает цифровой сигнал, который в каждый момент взятия отсчета может принимать то или иное значение из дискретного ряда возможных значений.

Необязательно для передачи непрерывного сообщения используют непрерывный сигнал, а для передачи дискретного сообщения – дискретный сигнал. Например, непрерывные сигналы – переносчики часто применяют для передачи дискретных сообщений. Дискретные сигналы можно использовать для передачи непрерывных сообщений после дискретизации сообщений.

Сообщение, содержащее информацию, как и сигнал, передающий сообщение, - для получателя информации всегда случайный процесс (случайная функция времени). Детерминированные сигналы не могут быть носителями информации, но могут быть использованы для испытания системы связи и ее отдельных элементов.

Знание вероятностных свойств сигналов, сообщений и среды, по которой передается сигнал, позволяет оценить количество передаваемой информации и величину ее потерь.

Передача сигналов осуществляется по каналам связи, которые могут быть как открытого типа – радиоканалы в атмосфере, так и закрытого типа - проводные, кабельные.

Основными, с точки зрения передачи сигнала, являются следующие его параметры – длительность сигнала , его динамический диапазон , и ширина спектра .

Длительность определяет интервал времени , в течение которого он существует.

Динамический диапазон – это отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к той наименьшей мощности, которую надо отличать от нуля при заданном качестве передачи. Например, в радиовещании – 35…45 дБ.

Ширина спектра дает представление о скорости изменения сигнала в переделах его длительности. В технике связи возможная ширина спектра сигнала ограничивается полосой пропускания частот линии связи. Например, для передачи речевого сигнала достаточна полоса от 300 до 3400 Гц. Необходимая ширина спектра телевизионного сигнала определяется требуемой четкостью телевизионного изображения. Спектр сигнала видеоизображения намного шире, чем спектр сигнала звукового сопровождения. Так, при стандарте в 625 строк верхняя частота видеосигнала достигает 6 МГц. Ширина спектра телеграфного сигнала , где - скорость передачи (в Бодах) – число символов, передаваемых в секунду. При телетайпной передаче Бод, и Гц. Спектр модулированного сигнала обычно шире, чем спектр передаваемого сообщения, и зависит от вида модуляции.

Объем сигнала характеризует возможности данного множества сигналов как переносчиков сообщений: чем больше объем сигнала, тем больше информации можно передать с его помощью и тем труднее передать сигнал по каналу связи с требуемым качеством.

Системы, каналы и сети связи

На рис. 1.1 показана структурная схема простейшей одноканальной системы связи. Источником и получателем сообщений может быть как человек, так и устройства – ЭВМ, автомат и т.д. Передающее устройство преобразует сообщение в сигнал, а приемное устройство производит обратное преобразование. Преобразователь сообщений в сигнал – в передатчике (микрофон, телеграфный аппарат), преобразует сообщение в первичный (низкочастотный) сигнал. Передатчик производит модуляцию высокочастотного сигнала-переносчика по закону первичного сигнала. Получается вторичный высокочастотный сигнал , который пригоден для передачи по каналу.

Преобразование сообщения в сигнал должно быть обратимым. Иначе, часть информации будет потеряна уже на передающей стороне.

Линия связи – физическая среда и совокупность аппаратных средств, используемых для передачи сигнала от передатчика к приемнику (в системах электрической связи – кабель, волновод, в системах радиосвязи – область пространства, где распространяются радиоволны). При прохождении по линии связи канальный сигнал может искажаться. За счет этого он превращается в некоторый сигнал . Кроме того, на сигнал могут накладываться помехи . Если помехи – аддитивные, то сигнал на входе приемника . Задача приемника – получить оценку первичного сигнала путем демодуляции принятого сигнала и, далее, - оценить, какое из возможных сообщений передавалось. Оценкой принятого сообщения служит .

Рис. 1.1. Структурная схема одноканальной системы связи

Для любой системы связи под каналом понимается совокупность технических средств, обеспечивающих передачу сигнала от некоторой точки А системы до точки Б. Точки А и Б могут быть выбраны произвольно – лишь бы между ними проходил сигнал. Часть системы связи, расположенная до точки А, служит источником сигнала для этого канала.

Система связи – совокупность технических средств передачи сообщения от источника к потребителю, состоит из передающего устройства, линии связи и приемного устройства. Иногда в состав системы связи включают еще источник и получатель сообщений.

Классификация систем связи по виду передаваемых сообщений:

· Телефония – передача речи

· Телеграфия – передача текста

· Фототелеграфия – передача неподвижных изображений

· Телевидение – передача подвижных изображений

· Телеизмерение – преобразование измеряемой величины в первичный сигнал при помощи датчика, передача этого сигнала по линии связи, выделение измеряемой величины из принятого сигнала, ее наблюдение и регистрация с помощью записывающих устройств

· Телеуправление – передача команд для автоматического выполнения определенных действий, часто эти команды формируются автоматически на основании результатов измерения, переданных телеметрической системой.

· Передача данных – обмен информацией между вычислительными средствами и АСУ, по сравнению с телеграфией здесь существуют повышенные требования к скорости и достоверности передачи.

По назначению телефонные и телевизионные системы делят на вещательные и профессиональные системы (служебная связь, промышленное телевидение).

Возможны следующие режимы связи:

· Симплексный – односторонняя передача сообщений – от источника к получателю (см. рис. 1.1).

· Дуплексный – возможна одновременная передача сообщений в прямом и обратном направлении

· Полудуплексный – обмен сообщениями в прямом и обратном направлении происходит поочередно

Многоканальная система связи обеспечивает передачу нескольких сообщений по одной общей линии связи (рис. 1.2). Здесь передаче подлежат первичные сигналы . В модуляторах они преобразуются в электрические сигналы . Сигналы смешиваются в аппаратуре уплотнения. Так образуется групповой сигнал , который передается по линии связи. В линии связи групповой сигнал искажается, и на него налагаются помехи. Приемник из принятого колебания посредством устройства разделения (фильтров ) выделяет сигналы - оценки сигналов . Демодуляторы (детекторы) восстанавливают оценки первичных сигналов . Выделение отдельных сигналов из группового сигнала становится возможным, если эти сигналы отличаются друг от друга по какому-то признаку. На практике часто применяют частотный или временной способ разделения.

Рис. 1.2. Структурная схема простейшей многоканальной системы передачи

Для обмена сообщениями между большим числом пользователей – абонентов, разнесенных территориально, используются сети связи. Сети связи обеспечивают передачу и распределение сообщений по заданным адресам (в заданное время и с заданным качеством). Распределение потоков сообщений по заданным адресам производится на узлах связи с помощью коммутационных устройств. По способу распределения сообщений сети делятся на некоммутируемые и коммутируемые. В первом случае связь осуществляется по постоянно закрепленным каналам связи по принципу "каждый с каждым". Во втором случае абоненты связываются друг с другом не непосредственно, а через узлы коммутации.

Сеть связи представляет собой совокупность оконечных (абонентских) устройств, каналов связи (соединительных линий) и узлов коммутации.

В зависимости от числа абонентов и размеров обслуживаемой территории сети могут иметь различную структуру: линейную, радиальную, кольцевую, радиально-узловую и т.д. Задача оптимального построения сетей связи решается на основе теории графов и теории массового обслуживания.

Особенности систем цифровой связи

Преобразование дискретного сообщения в сигнал обычно осуществляется в виде двух операций – кодирования и модуляции. Кодирование представляет собой преобразование сообщения в последовательность кодовых символов, а модуляция – преобразование этих символов в сигналы, пригодные для передачи по каналу. С помощью кодирования и модуляции источник сообщений согласуется с каналом. В современных системах передачи дискретных сообщений различают две группы относительно самостоятельных устройств: кодеки и модемы. Кодеками называются устройства, преобразующие сообщение в код (кодер) и код в сообщение (декодер). Таким образом, кодер производит кодирование сообщения, а декодер – его декодирование. Как правило, кодер и декодер – логические устройства. Модемами называются устройства, преобразующие код в сигнал (модулятор) и сигнал в код (демодулятор).

В наиболее простом случае алфавит кодовых символов состоит всего из двух символов – условно 1 и 0. Коды, построенные на основе таких алфавитов, называются двоичными. В общем случае алфавит кодовых символов состоит из различных символов. Коды, построенные на основе таких алфавитов, называются -ичными, или многопозиционными.

Структурная схема передачи дискретных сообщений показана на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Структурная схема передачи дискретных сообщений

Рис. 1.4 иллюстрирует процесс преобразования дискретного сообщения в сигнал и сигнала в дискретное сообщение. Передаваемое дискретное сообщение образовано вектором с компонентами , кодированное сообщение (или первичный цифровой сигнал) – вектор с компонентами ( - номер последовательно передаваемого символа, - номер разряда кодовой комбинации, которой закодирован этот символ). Непрерывный сигнал, поступающий в линию связи, обозначен . Канальные устройства (полосовые усилители передатчика и приемника, корректоры и т.п.) вместе с линией связи образуют непрерывный канал. Этот канал вместе с модемом образует дискретный канал. Принятый непрерывный сигнал поступает из аналогового канала на демодулятор. Сигнал , возможно, отличается от переданного сигнала за счет действия помех и искажений в канале связи. Восстановленной последовательности кодовых символов соответствует вектор с компонентами . Декодированное сообщение обозначено .

Рис. 1.4. Процесс преобразования дискретного сообщения

в сигнал и сигнала в дискретное сообщение

Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 173; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!