Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Краткая информация о видах электросвязи Электросвязь - передача информации посредством электрических сигналов, распространяющихся по проводам (проводная связь), или (и) радиосигналов (радиосвязь). К электросвязи относят, кроме того, передачу информа...

Все виды электросвязи по типу передаваемых сообщений могут быть разделены на предназначенные для передачи звуковых и оптических сообщений. Основной объем передаваемых сообщений (основной трафик) составляет телефонная связь. Телефонная связь - вид электросвязи, обеспечивающий передачу и прием речевых сообщений. Для организации связи используется типовой канал тональной частоты (КТЧ), спектр которого составляет 0,3...3,4 кГц. Спектр речевого сигнала Телефонный (речевой) сигнал образуется при помощи микрофона, в котором звуковые колебания преобразуются в электрический сигнал. Звуки речи образуются в результате прохождения воздушного потока из легких через голосовые связки и полости рта и носа. Каждый звук содержит определенный спектр частот, каждому гласному и согласному звуку соответствует определенная область резонанса (повышенная мощность), называемая формантой. Из графика (рис. 4) видно, что форманта буквы «а» находится в спектре частот, близких к частоте 950 Гц, а форманта буквы «е» находится в спектре частот, близких к частоте 690 Гц. Установлено экспериментально, что все остальные форманты гласных и согласных звуков, из которых складывается речь, не выходят за пределы спектра 0,3 - 3,4 кГц и 90% слогов и 99% фраз в этом спектре восстанавливаются без искажений. Частота колебаний основного тона речи находится в пределах от 0,05 - 0,0 8 кГц (самый низкий мужской) до 0,2 – 0,25 кГц (самый высокий женский или детский). Частота колебаний основного тона лежит в пределах от 50… 80 Гц (бас) до 200… 250 Гц (детский и женский голоса).

Частотный спектр речи лежит в пределах: от 0,05 – 0,1 кГц до 8 - 10 кГц (рис. 5)

Мембрана U, В Форманты

Угольный порошок Е А

Линия

Звук Микрофон Батарея 0 0,3 0,69 0,95 3,4 7 кГц

Частоты

Рис. 5 . Формирование спектра речевого сигнала

Любое подвижное изображение – это, как правило, смена через каждые 40 мс одного неподвижного изображения другим, т.е. 25 кадров в 1 с. За время между сменой кадров "просматривается" все неподвижное изображение (625 строк, 833 элемента в каждой строке), содержащее полмиллиона элементарных площадок, или элементов, т.е. каждый элемент просматривается в течение полумиллионной доли от отведенных на просмотр всего кадра 40 мс (две десятимиллиардных доли секунды). При этом человеческий глаз "видит" то, чего уже нет на экране, еще 0,1с. На самом же деле никакого изображения нет на экране, есть только светящаяся точка, бегущая по строкам (экрану) с невероятной скоростью. Светящуюся точку перемещает электронный луч, который сфокусирован с помощью специальных электрических линз и способен отклоняться под действием магнитного поля и развертывать изображение.

Конструкция электронно-лучевой трубки имитирует глаз: объектив – хрусталик, диафрагма – зрачок, искусственная сетчатка из серебряно-цезиевого сплава – сетчатка глаза, но в очень примитивном виде, т.к. она содержит всего 0,5 млн. фоторецепторов, а это намного меньше, чем у глаза.

На основании вышесказанного ширина спектра телевизионного сигнала:

625 строк х 833 элементов в строке = 520 625 элементов в кадре;

25 кадров х 520 625 = 13 015 625 элементов,

следовательно, переход с черного на белое, или наоборот, происходит примерно 6,5 млн. раз в секунду, т.е. 6,5 МГц – верхняя граница ширины спектра телевизионного сигнала, нижней принято считать нижнюю границу звукового сигнала – 0,05 к Гц . Ширина полосы видеосигнала, занимаемая каналом ТВ; составляет 0,05 - 6,5 МГц, динамический диапазон ТВ - сигнала D c ≈ 40 дБ. Для организации одного канала ТВ требуется 1620 каналов ТЧ.

При передаче данных осуществляется передача и прием сообщений в цифровой форме для обработки вычислительными машинами - компьютерами. Условно различают низкоскоростную передачу (до 64 кбит/с), среднескоростную (2 Мбит/с) и высокоскоростную (от 2 Мбит/с).

Передача газетных полос для децентрализованной печати по каналам электросвязи - это разновидность факсимильной связи, обеспечивающая передачу газетных полос (неподвижных черно-белых изображений). Для передачи газет применяются высокоскоростные факсимильные аппараты с шириной светового пятна 0,05 мм (в обычном случае 0,1 - 0,2 мм). Это требует повышенную скорость развертки (в обычном режиме – 60 строк в мин.), спектр факсимильного сигнала при передаче газетных полос расширен до 180 кГц.

Видеотелефонная связь - вид электросвязи, обеспечивающий одновременную передачу речевых сообщений и изображений говорящих; требуется наличие двух типовых каналов: изображения и речевого телефонного канала тональной частоты.

Виды электросвязи, обеспечивающие передачу сообщений, записанных на носители, и прием этих сообщений с записью на носителе, называются документальной связью (передача данных, факсимильная связь и т.д.)

В зависимости от назначения сообщений виды электросвязи могут быть классифицированы на предназначенные для передачи сообщений индивидуального и массового характера. Телефонная, факсимильная, передача данных - эти виды связи используются для передачи индивидуальных сообщений. Сети телевизионного вещания, звукового вещания, видеотелефонной связи, передачи газетных полос предназначены для передачи массовых сообщений (рис. 6).

В зависимости от временного режима доставки сообщений виды электросвязи могут быть разделены на предназначенные для работы в реальном времени:

Телеконференция реального времени;

Видеоконференция (видеотелефония);

Рис. 6. Современные виды электросвязи

Аудиотелеконференции;

Звуковое вещание и телевизионное вещание (прямые репортажи) и осуществляющие отложенную доставку сообщений:

Электронные документы - электронная почта, персональный радиовызов, телеконференции;

Документы - факс, телеграммы;

Видео по запросу;

Речевая почта;

Звуковое вещание и телевизионное вещание (записанные программы);

Передача газет;

В трафике реального времени допустимая задержка информации не должна превышать 0,1 с. В трафике отложенной доставки допускается временная задержка при передаче изображений 30 с, 50 с - при передаче голосовых данных, 100...150 с - при передаче аудиоинформации, так как временная задержка приводит к заметным искажениям передаваемой информации.

Приведенная на рис. 6 классификация достаточно условна, поскольку в последнее время наметилась тенденция объединения видов электросвязи в единую интегральную систему на основе цифровых методов передачи и коммутации для передачи всех видов сообщений.

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА. ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ

«Цепи и сигналы электросвязи» – базовый курс в системе подготовки современного инженера в области электрорадиотехники и радиоэлектроники. Его целью является изучение фундаментальных закономерностей, связанных с получением сигналов, их передачей по каналам связи, обработкой и преобразованием в радиотехнических цепях.

Круг вопросов, которые охватывает данный курс, весьма обширен. В него входят, во-первых, вопросы теории сигналов:

· спектральный и корреляционный анализ информационных и управляющих сигналов;

· особенности спектрального и корреляционного анализа узкополосных радиосигналов, введение понятий комплексного и аналитического сигналов;

· основы теории дискретных и цифровых сигналов;

· статистический анализ случайных сигналов и помех, изучаемый в едином комплексе с детерминированными сигналами.

Во-вторых, в курс «Цепи и сигналы электросвязи» входит теория преобразования перечисленных выше сигналов в линейных цепях – апериодических и частотно-избирательных.

В-третьих, в него входят основные положения теории нелинейных и параметрических устройств и преобразования в них сигналов.

Большое значение приобрели вопросы теории цифровой обработки сигналов, оптимальной обработки сигналов на фоне помех и основные положения теории синтеза радиотехнических цепей – аналоговых и цифровых.

Таким образом, в результате изучения дисциплины студент должен знать:

· основные понятия: информация, сообщение, сигнал,

· структуру построения системы электросвязи,

· виды электросвязи,

· назначение и структуру канала связи,

· сущность основных физических процессов при передаче информации с помощью электрических сигналов,

· виды сигналов, их параметры,

· физические характеристики сигналов,

· математические модели, отображающие периодические сигналы,

· спектры периодических сигналов,

· спектры непериодических сигналов;

а также уметь:

· пояснить структуру одноканальной системы связи,

· пояснить принцип действия основных видов преобразователей сообщения в сигнал и сигнала в сообщение,

· исследовать спектральный состав сигналов,

· математически и графически представить различные виды сигналов,

· построить временные и спектральные диаграммы по параметрам сигналов,

· провести лабораторные исследования спектров периодических и непериодических сигналов.

Изучение курса необходимо начать с основных понятий электросвязи – информации, сообщения и сигнала.

Понятия информации и сообщения употребляются довольно часто. Эти близкие по смыслу значения сложны и дать их точное определение нелегко. Слово «информация» происходит от латинского «informatio» – разъяснение, ознакомление, осведомленность. Обычно под информацией понимают совокупность сведений, данных о каких-либо событиях, явлениях или предметах. Мы живем в информационном мире. Все, что мы видим, слышим, помним, знаем, переживаем, – все это различные формы информации. Совокупность сведений, данных становится знанием лишь после их интерпретации с учетом ценности и содержания этих сведений. Следовательно, информацию в широком смысле можно определить как совокупность знаний об окружающем нас мире. В таком понимании информация является важнейшим ресурсом научно-технического и социально-экономического развития общества. В отличие от материального и энергетического ресурсов, информационный ресурс не уменьшается при потреблении, накапливается со временем, сравнительно легко и просто с помощью технических средств обрабатывается, хранится и передается на значительные расстояния.

Таким образом, под информацией понимается вся совокупность сведений о событиях, процессах и фактах, имеющих место в живой и неживой природе и предназначенных для обработки, хранения и передачи.

Для передачи или хранения информации используют различные знаки (символы), позволяющие выразить (представить) ее в некоторой форме. Этими знаками могут быть слова и фразы в человеческой речи, жесты и рисунки, формы колебаний, математические знаки и т.п. Так, при телеграфной передаче сообщением является текст телеграммы, представляющий собой последовательность отдельных знаков – букв и цифр. При разговоре по телефону сообщением является непрерывное изменение во времени звукового давления, отображающее не только содержание, но и интонацию, тембр, ритм и иные свойства речи. При передаче движущихся изображений в телевизионных системах сообщение представляет собой изменение во времени яркости элементов изображения. Поэтому форма, в которой человек получает информацию, может быть разной.

Сообщение – это форма представления информации.

Передача сообщений на расстояние осуществляется с помощью какого-либо материального носителя (бумаги, магнитной ленты и т.д.) или физического процесса (звуковых или электромагнитных волн, тока и т.д.).

Физический процесс, отображающий передаваемое сообщение и распространяющийся в определенном направлении называется сигналом .

В качестве сигнала можно использовать любой физический процесс, изменяющийся в соответствии с передаваемым сообщением. В современных системах связи чаще всего используют электрические сигналы. Физической величиной, определяющей такой сигнал, является ток или напряжение.

Электрическое колебание, содержащее сообщение называется электрическим сигналом .

Сигналы формируются путем изменения тех или иных параметров физического носителя в соответствии с передаваемым сообщением. Этот процесс (изменения параметров носителя) принято называть модуляцией. Все преобразования сигналов будут рассмотрены в следующих разделах курса.

Совокупность технических средств, для передачи сообщений от источника к потребителю называется системой связи .

Рассмотрим принцип построения простейшей одноканальной системы связи, приведенной на рисунке 1. Разберем назначение отдельных элементов схемы, представленной на этом рисунке.

Источником сообщений и получателем в одних системах связи может быть человек, в других – различного рода устройства.

Преобразователь сообщения в сигнал – преобразует звуковой сигнал или сигнал изображения в электрический сигнал.

В передатчике первичный сигнал (обычно низкочастотный) превращается во вторичный (высокочастотный) сигнал , пригодный для передачи по используемому каналу. Это преобразование осуществляется посредством модуляции.

Линией связи называется физическая среда и совокупность аппаратных средств, используемых для передачи сигналов от передатчика к приемнику. В системах электрической связи – это, прежде всего, кабель или волновод, в системах радиосвязи – область пространства, в которой распространяются электромагнитные волны от передатчика к приемнику. При передаче канальный сигнал может искажаться, так как на него могут накладываться помехи .

Приемник обрабатывает принятое колебание , представляющее собой сумму пришедшего искаженного сигнала и помехи , и восстанавливает по нему переданный сигнал (он также будет несколько искаженным).

Преобразователь сигнала в сообщения преобразует сигнал в сообщение , которое с некоторой погрешностью отображает переданное сообщение a . Другими словами, приемник должен на основе анализа колебания определить, какое из возможных сообщений передавалось. Поэтому приемное устройство является одним из наиболее ответственных и сложных элементов системы связи.

По виду передаваемых сообщений различают следующие системы связи:

· передача речи (телефония);

· передача текста (телеграфия);

· передача неподвижных изображений (факсимильная связь);

· передача подвижных изображений (телевидение), телеизмерение, телеуправление;

· передача данных.

По назначению телефонные и телевизионные системы делятся на:

· вещательные, отличающиеся высокой степенью художественности воспроизведения сообщений;

· профессиональные, имеющие специальное применение (служебная связь, промышленное телевидение и т.п.).

В системе телеизмерения физическая величина, подлежащая измерению (температура, давление, скорость и т.п.), с помощью датчиков преобразуется в первичный электрический сигнал, поступающий в передатчик. На приемном конце переданную физическую величину или ее изменения выделяют из сигнала и наблюдают или регистрируют с помощью записывающих приборов. В системе телеуправления осуществляется передача команд для автоматического выполнения определенных действий. Нередко эти команды формируются автоматически на основании результатов измерения, переданных телеметрической системой.

Внедрение высокоэффективных ЭВМ привело к необходимости быстрого развития систем передачи данных, обеспечивающих обмен информацией между вычислительными средствами и объектами автоматизированных систем управления. Этот вид электросвязи по сравнению с телеграфной отличается более высокими требованиями к скорости и верности передачи информации.

Теперь разберем понятие канала связи. Каналом связи называется совокупность средств, обеспечивающих передачу сигнала от некоторой точки A системы до точки B (рисунок 2). Точки A и B могут быть выбраны произвольно, главное, чтобы между ними проходил сигнал. Часть системы связи, расположенная до точки A, является источником сигнала для этого канала. Если сигналы, поступающие на вход канала и снимаемые с его выхода, являются дискретными (по уровням), то канал называется дискретным .

Если входные и выходные сигналы канала являются непрерывными (по уровню), то и канал называется непрерывным . Встречаются также дискретно-непрерывные и непрерывно-дискретные каналы, на вход которых поступают дискретные сигналы, а с выхода снимаются непрерывные, или наоборот.

Следует отметить, что некоторые блоки на схеме рисунка 2 не обозначены, так как их структура зависит от вида системы связи и типа канала.

Типы каналов, по которым передаются сигналы, многочисленны и разнообразны. Различают каналы проводной связи (воздушные, кабельные, оптические и др.) и каналы радиосвязи .

Кабельные линии связи являются основой магистральных сетей дальней связи, по ним осуществляется передача сигналов в диапазоне частот от десятков кГц до сотен МГц. Весьма перспективными являются волоконно-оптические линии связи. Они позволяют в диапазоне 600 – 900 ТГц обеспечить очень высокую пропускную способность (сотни телевизионных каналов или сотни тысяч телефонных каналов).

Наряду с проводными линиями связи широко используются радиолинии различных диапазонов (от сотен кГц до десятков ГГц). Эти линии более экономичны и незаменимы для связи с подвижными объектами. Широкое распространение для многоканальной радиосвязи получили радиорелейные линии (РРЛ) метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов на частотах от 60 МГц до 15 ГГц. Все большее применение находят спутниковые линии связи – РРЛ с ретранслятором на искусственном спутнике Земли (ИСЗ). Для этих линий (систем) связи отведены диапазоны частот 4 – 6 и 11 – 275 ГГц. Большая дальность при одном ретрансляторе на спутнике, гибкость и возможность организации глобальной связи – важные преимущества спутниковых систем.

В настоящее время способы эл.связи можно классифицировать: радиосвязь,
радиорелейная, спутниковая, проводная связь, волоконно-оптическая . Линии
радиосвязи позволяют вести деловую связь, на большие расстояния. К их
недостаткам относятся малое число каналов и существенная подверженность
помехам. Поэтому линии радиосвязи занимают малый удельный вес и
используются главным образом в труднодоступных районах. Радиорелейные
линии работают на ультракоротких волнах в пределах прямой видимости, они
Представляют собой цепочку ретрансляторов, устанавливаемых примерно через
каждые 50 км. Радиорелейные линии позволяют получить большое число каналов
на большие расстояния, но им свойственны недостатки радиолиний - помехи.

Спутниковые линии используют также ультракороткие волны, они позволяют осуществлять многоканальную связь на очень большие расстояния. Достоинством является большая зона действия и передача информации на значительное расстояние. Недостатком являются высокая стоимость запуска спутника и сложность организации.

Проводные линии связи включают передачу электромагнитной энергии по
кабельным линиям симметричной и коаксиальной конструкции и по воздушным
линиям.

Волоконно-оптические линии связи представляют собой передачу лазерного излучения по кварцевым стекловолокнам. Достоинствами волоконно-оптических линий связи являются экономия цветных металлов, малая масса и габариты, и возможность многоканальной связи, высокая степень защищенности от внешних и взаимных помех.

Системы многоканальной передачи

В настоящие время известим две системы передачи:

Аналоговая АСП.

Цифровая - ЦСП.

Аналоговые системы передачи основаны на частотном разделении каналов
(ЧРК). В таких системах весь передаваемый спектр с помощью электрических
фильтров делиться на частотные полосы.

В качестве базового принят телефонный канал шириной 4 кГц - канал
тональной частоты (ТЧ). Спектр канала ТЧ составляет 0,3-3,4 кГц.

Цифровые системы передачи основаны на временном разделении каналов
(ВРК). В таких системах передача по линиям различные сообщений
осуществляется поочередно, то есть со сдвигом во времени.

В ЭТОМ случае по линии распространяются импульсы (цифровые сигналы)
определенной последовательности длительности.

Для этого все виды связи(телефонная, телевидение и др.) предварительно
преобразуют в импульсы и кодируют. В современных цифровых системах
получила применение импульсно - кодовая модуляция (ИКМ).

Достоинства ЦСП:

Большая дальность связи.

Облегченные требования к защищенности цепей.

Однокабельная СВЯЗЬ.

Возможность непосредственного ввода и скоростной обработки импульсной информации с помощью ЭВМ.

Автоматизация передачи данных.

Недостатком является потребность в более высокой полосе частот - и среднем 64 кГц на телефонный канал.

В настоящее время на воздушных и кабельных линиях применяется следующие многоканальные системы передачи:

На воздушных линиях : В-2-2. В-3-3 В-12-12 - на 2,3 и 12 каналов,
организованных по стальным и биметаллическим проводам. Дальность действия
до 12500 км.

По симметричным кабелям : КНК-6. KНK-I2 – на 6 и 12 каналов, дальность
действия 120 км (СТС). КАМА, ИКМ-15 на 30 и 15 каналов дальность действия 50 км.

Для ГТС : КАМА, ИКМ-30 на 30 каналов, дальность действия 80 км.

Для зоновой и магистральной связи : К-60, К-120, ИКМ-120, К-420- дальность действия 600 км. ИКМ-120, ИКМ-480, К-300, ИКМ-1920, К-1920, К-3600, К-5400, К-10800 аппаратура для симметричных, коаксиальных и оптических кабелей, дальность действия 12500 км.

В настоящие время все большее применение находят цифровые системы
передачи , работающие по коаксиальным и оптическим кабелям.