<< Пред.           стр. 1 (из 6)           След. >>

Список литературы по разделу

 
 
 Министерство Российской Федерации
 по связи и информатизации
 
 САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ
 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ
 им. проф. М.А.Бонч-Бруевича
 
 
 
 А.П. Сальников
 
 
 
 
 
 
 ТЕОРИЯ
 ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
 
 Конспект лекций
 Часть 1
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
 2002
 
 УДК 621.391.1
 
 
  Сальников А.П. Теория электрической связи: Конспект лекций, часть 1/ СПбГУТ. -СПб., 2002. -93 с.: ил.
 
  Предназначено для студентов, изучающих дисциплину "Теория электрической связи".
  Содержит общие сведения о системах связи, описание моделей детерминированных сигналов. Рассмотрены преобразования сигналов в типовых функциональных узлах систем связи (модуляторах и детекторах разных видов, перемножителях и преобразователях частоты сигналов).
  Приведены контрольные вопросы по всем разделам для самопроверки их усвоения и рекомендации по проведению сопутствующих экспериментальных исследований в виртуальной учебной лаборатории по курсу ТЭС.
  Материал соответствует действующей учебной программе по курсу ТЭС.
 
 
 
 
 
  Ответственный редактор М.Н. Чесноков
 
 
 
 (c) Сальников А.П., 2002
 (c) Издание Санкт-Петербургского государственного университета
  телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 2002
 
 
 Редактор И.И. Щенсняк
 
 
 ЛР № от .02. Подписано к печати .02
 Объем 8,125 уч.-изд. л. Тир. 200 экз. Зак.
 
 РИО СПбГУТ. 191186, СПб., наб. р. Мойки, 61
 
 1. Общие сведения о системах связи
 
 1.1. Информация, сообщения, сигналы
 
  Под информацией понимают совокупность каких-либо сведений о явлениях, объектах и т.п. Сообщения представляют собой материальную форму существования информации и могут иметь различную физическую природу. Сигналами в электрической связи служат процессы (функции времени) электрической природы, посредством которых осуществляется передача сообщений на расстояние. Общее и различное в этих основополагающих понятиях теории связи поясняется таблицей 1.1. В ней также указаны возможные преобразователи сообщений в сигналы, которые называют датчиками сигналов.
  Таблица 1.1.
 Вид
  сообщения Математ.
 модель Сигнал
 u(t) Датчик
 сигнала Текст ai (k)
 k = 1,2,...,n
 ai ? {aj},
 j = 1,2,....m
  u(t)
 
 
  t
  m = 2, n = 6
  Клавиатура
 ЭВМ Звук p = p(t) u(t)
 
 
  t
 
  Микрофон Факс
 Видео b = b(x,y)
 b = b(x,y,t) u(t)
 
 
  t
 
  ФЭ и УР
 Видеокамера
  Текстовые сообщения представляют собой последовательности символов из некоторого конечного множества {ai} (языка) с известным объемом алфавита m. Преобразование такого рода сообщений в сигнал может осуществляться, например, клавиатурой ЭВМ путем поочередного кодирования отдельных символов сообщения k-разрядными комбинациями из 0 и 1, которым соответствуют два разных уровня напряжения.
  Звуковые сообщения представляют собой изменения давления воздушной среды в заданной точке пространства во времени p(t). С помощью микрофона они преобразуются в переменный электрический сигнал u(t), который в определенном смысле является копией сообщения и отличается от него лишь физической размерностью.
  Видеосообщения можно рассматривать как распределение яркости на поверхности объекта b(x,y), неподвижное изображение которого требуется передать на расстояние (фототелеграф), или более сложный процесс b(x,y,t) (черно-белое телевидение). Характерной особенностью при передаче видеосообщений является необходимость преобразования описывающих их многомерных функций в одномерный сигнал u(t). Это достигается использованием в датчиках видеосигналов устройств развертки (УР) для поэлементного преобразования яркости отдельных точек объектов в уровень электрического сигнала с помощью фотоэлементов (ФЭ) или иных фотоэлектрических преобразователей.
 
 Классификация сигналов
  По относительной ширине спектра сигналы делят на низкочастотные (называемые также НЧ, видео, широкополосные сигналы) и высокочастотные (ВЧ, радио, узкополосные, полосовые сигналы).
 
 
 
 
 
  Для НЧ сигналов ?F/Fср > 1, где
  ?F = Fmax - Fmin - абсолютная ширина спектра сигнала,
  Fср = (Fmax + Fmin)/2 - средняя частота спектра сигнала,
  Fmax - максимальная частота в спектре сигнала,
  Fmin - минимальная частота в спектре сигнала.
  Для ВЧ сигналов ?F/Fср << 1.
  Как правило, первичные сигналы на выходе датчиков являются низкочастотными. Полезно помнить диапазоны частот, в которых располагаются спектры типичных сигналов в системах связи и вещания:
 1) телефонный - 300 ? 3400 Гц (стандартный канал тональной частоты),
 2) радиовещательный - от 30-50 Гц до 6-15 кГц,
 3) телевизионный - 0 ? 6 МГц (для вещательного стандарта разложения изображения, принятого в России).
  По своей природе различают сигналы детерминированные и случайные. Детерминированные сигналы считаются известными в каждой точке временной оси. В отличие от них значения случайных (стохастических) сигналов в каждый момент времени являются случайной величиной с той или иной вероятностью. Очевидно, что детерминированные сигналы в силу своей полной определенности не могут нести никакой информации. Их удобно использовать в теории для анализа различных функциональных узлов (ФУ), а на практике в качестве испытательных сигналов для измерения неизвестных параметров и характеристик отдельных звеньев трактов систем связи.
  По форме сигналы можно разделить на четыре вида, приведенные в таблице 1.2.
 
  Таблица 1.2.
  Время t непрерывное дискретное Значения u(t) Непрерывные u(t)
  аналоговый 1
 
 
  t u(t)
  2
 
 
  t Дискретные u(t)
  3
 
 
  t u(t)
  цифровой 4
 
 
  t
  Сигнал (1), непрерывный по времени и состояниям, называют аналоговым. Сигнал (4), дискретный по времени и состояниям, - цифровым. Эти сигналы чаще всего используются в различных узлах систем связи. Соответственно различают аналоговые и цифровые ФУ по форме сигналов на их входах и выходах. Возможны преобразования аналогового сигнала в цифровой с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и, наоборот, - с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Условные графические обозначения (УГО) этих типовых ФУ приведены на рис. 1.1.
 
 
  Сигналы можно рассматривать в качестве объектов транспортировки по каналам связи и характеризовать основными параметрами, такими как
 - длительность сигнала Тс,
 - ширина его спектра Fc,
 - динамический диапазон , где
  и - максимальная и минимальная
 мгновенные мощности сигнала.
 
  Пользуются также более общей характеристикой - объемом сигнала .На интуитивном уровне очевидно, чем больше объем сигнала, тем он информативнее, но тем и выше требования к качеству канала для его передачи.
 
 1.2. Обобщенная структурная схема системы связи
 
  Под системой связи (СС) понимают совокупность технических средств и среды распространения сигнала, служащих для передачи сообщений от источника к получателю.
  Обобщенная структурная схема системы связи приведена на рис. 1.2. Она включает только основные ФУ (преобразователи сигналов), необходимые для передачи как дискретных, так и непрерывных сообщений.
  Любая система связи начинается с источника, сообщения которого требуется доставить получателю сообщений. В зависимости от вида источника и канала возможны три основных варианта построения систем связи.
  Вариант 1. В центральной части рис. 1.2 изображена структура системы передачи дискретных сообщений (СПДС). В нее входят следующие основные ФУ:
 1) Кодер источника, служащий, прежде всего, для согласования объемов алфавитов дискретного источника (m>>2) и дискретного канала (m=2). В результате каждый символ источника преобразуется в k-разрядную двоичную комбинацию из 0 и 1. Очевидно, что .
 2) Кодер канала, используемый для повышения помехоустойчивости связи. В нём к входным (информационным) кодовым комбинациям добавляются дополнительные символы, называемые проверочными, которые вместе с правилом их формирования позволяют на приемной стороне обнаруживать и (или) исправлять некоторые из возможных ошибок передачи.
 3) Модулятор, служащий для согласования первичного сигнала на выходе кодирующего устройства с характеристиками линии связи. Как правило, это преобразование сводится к преобразованию НЧ сигнала в ВЧ сигнал.
 4) Линия связи (ЛС), представляющая собой среду распространения сигнала в части пространства, разделяющего передающую и приемную стороны СС. В ЛС сигнал подвергается искажениям и действию помех.
 5) Демодулятор, осуществляющий анализ смеси сигнала с помехой на своем входе в течение времени его существования (временные параметры анализа обеспечиваются системой синхронизации, которая считается идеально работающей и не показана на данной схеме) и на его основе принимающий решение (возможно ошибочное) о том, какой вариант сигнала (из известного множества на входе модулятора) передавался. В результате на выход выдается "чистая" копия этого сигнала, но уже на следующем тактовом интервале.
 6) Декодер канала, обнаруживающий и (или) исправляющий некоторые ошибки во входных кодовых комбинациях, вызванные действием помех в ЛС, по известному ему правилу формирования проверочных символов в кодере канала.
 7) Декодер источника преобразующий информационную часть кодовой комбинации в первичное сообщение (символ источника дискретных сообщений) при не обнаружении ошибок передачи.
  Совокупность кодера и декодера, выполненных в виде самостоятельного ФУ, называют кодеком, а пару модулятор и демодулятор - модемом.
  В тех случаях, кода сообщения по своей природе являются непрерывными (речь, музыка, видео и т.п.), а первичные сигналы соответственно аналоговыми, возможны два варианта их передачи.
  Вариант 2. Передача аналогового сигнала непосредственно по ЛС, если она пропускает первичный сигнал с допустимым качеством (городская телефонная сеть), либо с использованием модулятора, реализующего прежнюю функцию согласования сигнала с ЛС. При этом несколько меняется функция демодулятора на приемной стороне, который в этой ситуации обычно называют детектором. Его задача теперь заключается в наиболее точном воспроизведении формы первичного сигнала в результате обработки принятого колебания.
  Вариант 3. Передача аналогового сигнала по цифровому каналу связи. В этом случае на передающей стороне возникает необходимость преобразования аналогового первичного сигнала в цифровой с помощью АЦП (функция ФНЧ, ограничивающая спектр сигнала на входе АЦП, станет ясной при изучении в дальнейшем теоремы отсчётов). На приемной стороне полученные после декодирования числовые значения отсчётов с помощью ЦАП преобразуются в соответствующие уровни напряжения и после сглаживания в ФНЧ поступают к получателю в аналоговой форме.
 
 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).
  Уточним уже использованный нами термин канал связи. Под ним принято понимать часть СС между точками А на передающей и Б на приемной сторонах. В зависимости от выбора этих точек, иначе говоря, по виду сигналов на входе и выходе различают каналы:
 1) непрерывные,
 2) дискретные,
 3) дискретно-непрерывные,
 4) непрерывно-дискретные.
  Каналы связи можно характеризовать по аналогии с сигналами следующими тремя параметрами:
 - временем доступа ,
 - шириной полосы пропускания ,
 - динамическим диапазоном [дБ],
  где - максимально допустимая мощность
  сигнала в канале,
  - мощность собственных шумов канала.
  Обобщенным параметром канала является его емкость
 .
  Очевидным необходимым условием согласования сигнала и канала является выполнение неравенства Vc < Vк .
  Менее очевидно то, что это условие является также достаточным и вовсе не обязательно добиваться аналогичного согласования по частным параметрам (длительности, спектру, динамическому диапазону), так как возможен "обмен" ширины спектра сигнала на его длительность или динамический диапазон.
 Контрольные вопросы
 1. Дайте определения понятиям информация, сообщение сигнал. Какие между ними связи и различия?
 2. Приведите примеры сообщений разной физической природы и соответствующих им датчиков сигналов.
 3. Каким образом сообщения, описываемые многомерными функциями, преобразуются в сигналы? Приведите примеры.
 4. Классифицируйте сигналы по особенностям их формы и спектра.
 5. По какому признаку различают НЧ и ВЧ сигналы?
 6. По какому критерию различают аналоговые и цифровые сигналы и ФУ?
 7. Укажите основные параметры сигналов.
 8. Нарисуйте структурные схемы систем связи для:
 * передачи дискретных сообщений,
 * передачи непрерывных сообщений,
 * передачи непрерывных сообщения по цифровым каналам.
 9. Укажите назначение следующих ФУ систем связи:
 * кодера источника и кодера канала,
 * модулятора,
 * демодулятора,
 * декодера канала и декодера источника.
 10. Что общего и различного в задачах, решаемых демодуляторами СПДС и СПНС?
 11. Какие системы связи Вам известны:
 * по виду передаваемых сообщений,
 * по диапазону используемых частот,
 * по назначению,
 * по режимам работы?
 12. Дайте определение термину "канал связи". Какая классификация каналов связи Вам известна?
 13. Укажите основные параметры каналов связи.
 14. Сформулируйте условия согласования сигналов и каналов связи.
 
 Рекомендации по проведению экспериментальных исследований сигналов в системах связи
  Рис. 1.3. Некоторые сигналы и их спектры в системе ПДС Для закрепления полученных в разделах 1.1 и 1.2. знаний полезно выполнить лабораторную работу № 14 "Знакомство с системами ПДС" (из перечня тем виртуальной учебной лаборатории) в полном объёме. Эта работа носит ознакомительный характер и позволяет наблюдать все основные процессы получения, преобразования и приёма сигналов в системах передачи дискретных сообщений (рис. 1.3). Следует обратить внимание на осциллограммы и спектрограммы сигналов на выходах типовых ФУ (кодера источника при выборе разных типов интерфейса, кодера канала при выборе разных помехоустойчивых кодов, модулятора при разных видах модуляции, демодулятора и декодера), входящих в системы ПДС, и сопоставить с ними свои представления, полученные в ходе изучения раздела.
  Рекомендуется по результатам наблюдения сигналов в разных точках тракта СПДС провести их классификацию, определить их основные параметры, а также выделить в СПДС разные типы каналов (непрерывный, дискретный, дискретно-непрерывный и непрерывно-дискретный). Полезно также получение наглядного представления о функции каждого ФУ СПДС.
  Для закрепления полученных сведений о различии НЧ и ВЧ сигналов и наполнения их практическим содержанием целесообразно провести исследования в рамках лабораторной работы № 4 "Модулированные сигналы". Выбирая в качестве первичных НЧ сигналы разных форм, обратите внимание не только на различие осциллограмм и спектрограмм первичных (НЧ) и модулированных (ВЧ) сигналов, но и на объединяющие их признаки при использовании разных видов модуляции (рис. 1.4).
  При выполнении указанных работ не обязательно строго придерживаться имеющихся в них заданий. Используйте возможности ресурсов ВЛ для проведения исследований по своему усмотрению и желанию.
 
 
 
 
  Рис. 1.4. Некоторые сигналы и их спектры
  2. Математические модели сигналов
 
 2.1. Сигналы как элементы функциональных
 пространств
 
  Сигналы - это, прежде всего, процессы, т.е. функции времени x(t), существующие на ограниченном интервале Т (в теории возможно Т > ?). Их можно изобразить графически (рис. 2.1) и описывать упорядоченной последовательностью значений в отдельные моменты времени tk
  (вектор строка).
  Разные сигналы отличаются формой (набором значений x(tk)). Вместо сложной совокупности точек кривой x(t) в простой области - двумерном пространстве можно ввести в рассмотрение более сложные пространства (пространства сигналов), в которых каждый сигнал изображается простейшим элементом - точкой (вектором).
  В математике под пространством понимают множество объектов (любой физической природы), наделенных некоторым общим свойством. Свойства, которыми целесообразно наделять пространства сигналов, должны отражать наиболее существенные свойства реальных сигналов, такие как их длительность, энергия, мощность и т.п.
 
  Метрические пространства
  Первое свойство, которым мы наделим пространство сигналов, называют метрикой.
  Метрическое пространство - это множество с подходящим образом определенным расстоянием между его элементами. Само это расстояние, как и способ его определения, называют метрикой и обозначают . Метрика должна представлять собой функционал, т.е. отображение любой пары элементов и множества на действительную ось, удовлетворяющее интуитивно понятным требованиям (аксиомам):
 
  1) (равенство при ),
  2) ,
  3) (аксиома треугольника).
 
  Следует отметить, что метрики можно задать разными способами и в результате для одних и тех же элементов получить разные пространства.
 
  Примеры метрик:
  1) ,
  2) евклидова метрика,
  3) евклидова метрика.
 
  Линейные пространства
  Усовершенствуем структуру пространства сигналов, наделив его простыми алгебраическими свойствами, присущими реальным сигналам, которые можно алгебраически складывать и умножать на числа.
  Линейным пространством L над полем F называют множество элементов , называемых векторами, для которых заданы две операции -сложение элементов (векторов) и умножение векторов на элементы?? из поля F (называемые скалярами) . Не вдаваясь в математические детали, в дальнейшем, под полем скаляров будем понимать множества вещественных чисел R (случай действительного пространства L) или комплексных чисел С (случай комплексного пространства L). Эти операции должны удовлетворять системе аксиом линейного пространства.
 1. Замкнутость операций сложения и умножения на скаляр:
  ,
  .
 2. Свойства сложения:
  ассоциативность,
  коммутативность.
 3. Свойства умножения на скаляр:
  ассоциативность,
  дистрибутивность суммы векторов,
  дистрибутивность суммы скаляров.
 4. существование нулевого вектора.
 5. существование проти-
  воположного вектора.
 
  Вектор, образованный суммированием нескольких векторов со скалярными коэффициентами
 ,
 называют линейной комбинацией (многообразием). Легко видеть, что множество всех линейных комбинаций векторов при разных ?i (не затрагивая ) также образует линейное пространство, называемое линейной оболочкой для векторов .
  Множество векторов называют линейно независимыми, если равенство
 
 возможно лишь при всех ?i = 0. Например, на плоскости любые два неколлинеарные вектора (не лежащие на одной прямой) являются линейно независимыми.
  Система линейно независимых и ненулевых векторов образует в пространстве L базис, если
 .
  Этот единственный набор скаляров {?i}, соответствующий конкретному вектору , называют его координатами (проекциями) по базису .
  Благодаря введению базиса операции над векторами превращаются в операции над числами (координатами)
 .
  Если в линейном пространстве L можно отыскать n линейно независимых векторов, а любые n + 1 векторов зависимы, то n - размерность пространства L (dim L = n).

<< Пред.           стр. 1 (из 6)           След. >>

Список литературы по разделу