Каналом связи называется совокупность технических средств и физической среды, способной к передаче посылаемых сигналов, которая обеспечивает передачу сообщений от источника информации к получателю.
Кодер-источник должен обеспечивать такое преобразование сообщений источника, при котором сигналы на его выходе, обладали бы минимальной избыточностью и позволяли бы приблизить скорость передачи к максимально возможному значению, то есть пропускной способности канала. Однако, так как в реальных каналах неизбежны помехи, то для борьбы с ними приходится дополнительно вводить кодер – канала, который обеспечивает перекодирование поступающих сообщений, чтобы повысить помехоустойчивость сообщений. На выходе линий связи (канала) должно быть предусмотрено устройство для обратного преобразования (декодирования ) сигналов, поступивших с линий связи – декодер канала , после которого должно быть предусмотрено устройство для декодирования сигналов с источника – декодер источника .
Вопросы для самопроверки
1. Какие элементы каналов передачи данных в информационных сетях являются основными?
2. Что такое оконечное оборудование данных и для чего используется?
3. Что такое среда передачи данных?
4. Для чего служит аппаратура передачи данных?
5. Для чего служит промежуточное оборудование сети?
6. Какие каналы связи по типу среды передачи Вы знаете?
7. Какими показателями характеризуются каналы связи?
8. Чем определяется удобство подключения канала связи?
9. Чем определяется пропускная способность канала связи?
10. Что характеризует закрытость передачи данных?
Основные характеристики каналов связи
Цель лекции – изучение основных характеристик каналов связи.
Задачи лекции:
Изучить
Изучить разновидности, основные характеристики каналов связи.
Вопросы, рассматриваемые на лекции:
2. Разновидности, основные характеристики каналов связи.
Основными элементами каналов передачи данных в информационных сетях являются:
Оконечное оборудование данных (ООД), которое представляет собой информационный блок осуществляющий подготовку данных, предназначенную для передачи по каналу и служащий в одном случае источником данных, в другом – приемником.
Среда передачи данных (СПД), то есть любая физическая среда, способная передавать информацию с помощью соответствующих сигналов. Может представлять электрический или оптический кабель, или открытое пространство (физическое).
Аппаратура передачи данных (АПД) которую называют аппаратурой окончания передачи данных. Представляет аппаратуру, непосредственно связывающую оконечное оборудование данных со средой передачи данных, являющееся пограничным оборудованием передачи данных. К аппаратуре передачи данных относятся модемы, сетевые адаптеры и так далее.
4. Промежуточное оборудование сети (ПОС) представляет аппаратуру, применяемую на линиях связи большой протяженностью, которая позволяет решать следующие задачи:
Улучшение качества сигнала;
Обеспечение постоянства структуры канала связи между соседними узлами сети
(мультиплексоры, повторители, трансляторы и так далее.)
Совокупность оконченного оборудования данных (ООД) и аппаратуры передачи данных (АПД) называется станцией.
Каналы принято делить на непрерывные и дискретные.
В наиболее общем случае всякий дискретный канал включает в себя непрерывный как составную часть.
Если влиянием мешающих факторов на передачу сообщений в канале можно пренебречь, то такой идеализированный канал называется каналом без помех . В таком канале каждому сообщению на входе однозначно соответствовало определенное сообщение на выходе и наоборот.
Если влиянием помех в канале пренебречь нельзя, то имеет место канал при наличии помех.
Под моделью канала понимается математическое описание канала, позволяющее оценить его характеристики, используемое при построении систем связи без проведения экспериментальных исследований.
Канал, в котором вероятности отождествления первого сигнала со вторым и второго с первым одинаковы, называется симметричным .
Каналом со стиранием называется канал, алфавит сигналов на входе которого отличается от алфавита сигналов на его выходе.
Каналом обратной связи называется дополнительный обратный канал, вводимый в СПД для повышения достоверности передачи.
Канал связи считается заданным , если известны данные по сообщению на его входе, а также ограничения, которые накладываются на входные сообщения физическими характеристиками каналов.
Для каналов передачи информации используют характеристику, называемую скоростью передачи информации по каналам, которая характеризует среднее количество информации, которое может быть передано по каналу связи в единицу времени.
Для характеристики каналов связи могут использоваться два варианта понятия скорости передачи:
– техническая скорость передачи (скорость манипуляции), характеризуется числом элементарных сигналов, передаваемых по каналу в единицу времени. Она зависит от свойств линий связи и быстродействия аппаратуры каналов. Единицей измерениятехнической скорости служит 1 Бод=1 симв/1 сек.
– информационная скорость передачи определяется средним количеством информации, передающейся в единицу времени. Эта скорость зависит как от характеристик данного канала, так и от характеристик используемых сигналов [бит/с];
Среднее количество информации, выдаваемое источником сообщений в единицу времени называется производительностью источника.
Пропускной способностью канала связи называется наибольшая скорость передачи информации по этому каналу, достигаемая при самых совершенных способах передачи информации и приема.
Пропускная способность, как и скорость передачи информации, измеряется количеством передаваемой информации в единицу времени.
В телекоммуникационных системах (ТКС) находят наиболее широкое распространение виды каналов связи:
Симплексные каналы связи (КС) представляет такое представление обмена информацией между передатчиком и приемником, когда по одиночной линии связи (каналу) передаются сообщения только в одном направлении. Такой канал называется симплексным или невзаимные системы .
Полудуплексные каналы связи (режимы работы) в этом случае 2 узла связи соединены одним каналом связи (линией связи), но по этому каналу происходит передача информации поочередно (попеременно) в противоположных направлениях – так организован режим работы.
Дуплексный канал связи предполагает - одновременно два узла связи соединены двумя каналами (прямым и обратным), по которым информация передается одновременно в противоположных направлениях.
Симплексный тип канала связи используется в теле – и радиосетях.
Полудуплексный метод используется в информационно – справочных и запросо-ответных системах.
Дуплексный канал связи используется в системах с РОС и ИОС.
В телекоммуникационных системах различают выделенные (некоммутируемые) и коммутируемые на время передачи канала связи.
В выделенных каналах связи приемо – передающая аппаратура узлов связи постоянно соединена между собой. Это обеспечивает высокую степень готовности, более высокое качество передачи (связи) и поддержка большого объема трафика.
В силу относительно более высоких расходов на эксплуатацию сетей с выделенными каналами связи их рентабельность достигается при достаточно полной загрузки каналов связи.
Коммутируемые каналы связи организуются только на время передачи некоторого фиксированного объема информации. Для таких каналов характерна высокая гибкость и сравнительно небольшая стоимость (при малом объеме трафика).
Системы передачи данных (СПД) без канала обратной связи позволяют в принципе достигать желаемой верности передачи информации путем использования соответствующих корректирующих кодов. Платой за обеспечение желаемой достоверности служит существенное увеличение длины комбинаций, а также существенное усложнение аппаратуры.
Недостатком систем без обратной связи является также и то, что источник не получает никаких подтверждений о том как принята информация в приемнике . Поэтому в таких системах предъявляются очень высокие требования к надежности используемой аппаратуры. Исходя из этого, системы без обратной связи применяются, в первую очередь, тогда, когда невозможно организовать канал обратной связи или недопустимы задержки при передаче информации . В силу указанных обстоятельств широкое распространение получили системы с обратной связью (адаптивное управление), в которых достоверность передачи повышается за счет обнаружения ошибок на приемной стороне и с повторением только неправильно принятых кодовых комбинаций. При этом избыточность будет минимальной при отсутствии ошибок и будет увеличиваться с ростом их числа. Системы с обратной связью, в зависимости от способа организации обратной связи, делятся на системы с информационной обратной связью и с решающей обратной связью.
Сигнал - физический процесс, отображающий сообщение. В технических системах чаще всего используются электрические сигналы. Сигналы, как правило, являются функциями времени.
1. Классификация сигналов
Сигналы можно классифицировать по различным признакам:
1. Непрерывные ( аналоговые) - сигналы, которые описываются непрерывными функциями времени, т.е. принимают непрерывное множество значений на интервале определения. Дискретные - описываются дискретными функциями времени т.е. принимают конечное множество значений на интервале определения.
Детерминированные - сигналы, которые описываются детерминированными функциями времени, т.е. значения которых определены в любой момент времени. Случайные - описываются случайными функциями времени, т.е. значения которых в любой момент времени является случайной величиной. Случайные процессы (СП) можно классифицировать на стационарные, нестационарные, эргодические и неэргодические, а так же, гауссовы, марковские и т.д.
3. Периодические - сигналы, значения которых повторяются через интервал, равный периоду
х (t) = х (t+nT), где n = 1,2,...,¥; T - период.
4. Kаузальные - сигналы, имеющие начало во времени.
5. Финитные - сигналы конечной длительности и равные нулю вне интервала определения.
6. Когерентные - сигналы, совпадающие во всех точках определения.
7. Ортогональные - сигналы противоположные когерентным.
2. Характеристики сигналов
1. Длительность сигнала ( время передачи) Т с - интервал времени, в течении которого существует сигнал.
2. Ширина спектра F c - диапазон частот, в пределах которых сосредоточена основная мощность сигнала.
3. База сигнала - произведение ширины спектра сигнала на его длительность.
4. Динамический диапазон D c - логарифм отношения максимальной мощности сигнала - P max к минимальной - P min (минимально-различи-мая на уровне помех):
D c = log (P max /P min).
В выражениях, где может быть использованы логарифмы с любым основанием, основание логарифма не указывается.
Как правило, основание логарифма определяет единицу измерения (например: десятичный - [Бел], натуральный - [Непер]).
5. Объем сигнала определяется соотношениемV c = T c F c D c .
6. Энергетические характеристики: мгновенная мощность - P (t); средняя мощность - P ср и энергия - E. Эти характеристики определяются соотношениями:
P (t) = x 2 (t); ; (1)
где T = t max - t min .
3. Математические модели случайных сигнлов
Детерминированное, т.е. заранее известное сообщение, не содержит информации, т.к получателю заранее известно, каким будет переда-ваемый сигнал. Поэтому сигналы носят статистический характер .
Случайный (стохастический, вероятностный) процесс - процесс, который описывается случайными функциями времени.
Случайный процесс Х (t) может быть представлен ансамблем неслучайных функций времени x i (t), называемых реализациями или выборками (см. рис.1).
Рис.1. Реализации случайного процесса X (t)
Полной статистической характеристикой случайного процесса является n - мерная функция распределения: F n (x 1 , x 2 ,..., x n ; t 1 , t 2 ,..., t n), или плотность вероятности f n (x 1 , x 2 ,..., x n ; t 1 , t 2 ,..., t n).
Использование многомерных законов связанно с определенными трудностями,
поэтому часто ограничиваются использованием одномерных законов f 1 (x, t), характеризующих статистические характеристики случайного процесса в отдельные моменты времени, называемые сечениями случайного процесса или двумерных f 2 (x 1 , x 2 ; t 1 , t 2), характеризующих не только статистические характеристики отдельных сечений, но и их статистическую взаимосвязь.Законы распределения являются исчерпывающими характеристиками случайного процесса, но случайные процессы могут быть достаточно полно охарактеризованы и с помощью, так называемых, числовых характеристик (начальных, центральных и смешанных моментов). При этом наиболее часто используются следующие характеристики: математическое ожидание (начальный момент первого порядка)
; (2)средний квадрат (начальный момент второго порядка)
; (3)дисперсия (центральный момент второго порядка)
; (4)корреляционная функция, которая равна корреляционному моменту соответствующих сечений случайного процесса
. (5)При этом справедливо следующее соотношение:
(6)Стационарные процессы - процессы, в которых числовые характеристики не зависят от времени.
Эргодические процессы - процесс, в которых результаты усреднения и по множеству совпадают.
Гауссовы процессы - процессы с нормальным законом распределения:
(7)Этот закон играет исключительно важную роль в теории передачи сигналов, т.к большинство помех являются нормальными.
В соответствии с центральной предельной теоремой большинство случайных процессов являются гауссовыми.
Марковский процесс - случайный процесс, у которых вероятность каждого последующего значения определяется только одним предыдущим значением.
4. Формы аналитического описания сигналов
Сигналы могут быть представлены во временной, операторной или частотной области, связь между которыми определяется с помощью преобразований Фурье и Лапласа (см. рис.2).
Преобразование Лапласа:
L -1: (8)Преобразования Фурье:
F -1: (9)Рис.2 Области представления сигналов
При этом могут быть использованы различные формы представления сигналов с виде функций, векторов, матриц, геометрическое и т.д.
При описании случайных процессов во временной области используется, так называемая, корреляционная теория случайных процессов, а при описании в частотной области - спектральная теория случайных процессов.
С учетом четности функций
и и в соответствии с формулами Эйлера: (10)можно записать выражения для корреляционной функции R x (t) и энергетического спектра (спектральной плотности) случайного процесса S x (w), которые связанны преобразованием Фурье или формулами Винера - Хинчина
; (11) . (12)5. Геометрическое представление сигналов и их характеристик
Любые n - чисел можно представить в виде точки (вектора) в n -мерном пространстве, удаленной от начала координат на расстоянии D ,
где . (13)
Сигнал длительностью T с и шириной спектра F с , в соответствии с теоремой Котельникова определяется N отсчетами, где N = 2F c T c .
Этот сигнал может быть представлен точкой в n - мерном пространстве или вектором, соединяющим эту точку с началом координат .
Длина этого вектора (норма) равна:
; (14)где x i =x (n Dt) - значение сигнала в момент времени t = n. Dt.
Допустим: X - передаваемое сообщение, а Y - принимаемое. При этом они могут быть представлены векторами (рис.3).
X1 , Y1
0 a 1 a 2 x1 y1
Рис.3. Геометрическое представление сигналов
Определим связи между геометрическим и физическим представлением сигналов. Для угла между векторами X и Y можно записать
cos g = cos (a 1 - a 2) = cos a 1 cos a 2 + sin a 1 sin a 2 =
«Многоканальная связь на ж. д. транспорте»
Конспект лекций
для студентов V курса
специализация СПИ
1. Общие сведения о системах и сетях телекоммуникаций. 2
1.1. Основные понятия и определения. 2
1.2. Первичные и вторичные сети. 3
1.3. Классификация и перспективы развития МСП.. 4
2. Параметры типовых первичных сигналов. 6
2.1. Обобщенная система параметров первичного сигнала. 6
2.2. Основные параметры типовых первичных сигналов. 9
2.2.1. Телефонный сигнал . 9
2.3.3. Факсимильный сигнал. 12
2.3.4. Сигнал дискретной информации (СДИ) 12
2.3.5. Телевизионный сигнал. 12
3. Принципы временного уплотнения сигналов. 13
3.1. Общие принципы формирования основного цифрового канала. 13
3.2. Временное объединение аналоговых сигналов. 13
. 14
. 15
3.3. Объединение цифровых потоков. 18
3.3.1. Посимвольное синхронное объединение . 18
3.3.2. Объединение асинхронных цифровых потоков . 21
3.3.3 Процедура согласования скоростей . 23
4. Плезиохронная цифровая иерархия. 27
4.1. Стандарты плезиохронной иерархии. 27
4.2. Группообразование с двухсторонним согласованием скоростей. 31
4.2.1. Временное группообразование вторичного цифрового сигнала . 31
4.2.2. Временное группообразование третичного и четверичного цифрового сигнала . 32
4.3. Группообразование с односторонним согласованием скоростей. 34
5. СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ Е1. 38
5.1. Физический уровень Е1. 38
5.1.1 Линейное кодирование . 39
5.1.2 Уровни сигналов, электрические параметры интерфейса, форма импульса . 41
5.2. Канальный уровень Е1. 43
5.2.1. Цикловая и сверхцикловая структура Е1 . 43
5.2.2. Процедуры контроля ошибок передачи. Использование избыточного кода CRC-4 . 45
5.3. Сетевой уровень Е1. 47
5.4. Структура систем передачи Е1. 49
6. Синхронная цифровая иерархия. 51
6.1. Сравнение SDH и PDH.. 51
6.2. Особенности построения синхронной иерархии. 52
6.3. Сборка модулей STM-N.. 54
6.4. Правила образования транспортного модуля STM-1. 55
6.5. Процесс формирования модуля STM-1 из потока трибов Е1. 57
6. 6. Назначение заголовков и указателей. 61
6.7. Особенности технической реализации синхронных муьлтиплексоров. 62
6. 8. Методы контроля четности. 64
6. 9. Резервирование. 65
1. Общие сведения о системах и сетях телекоммуникаций
1.1. Основные понятия и определения
Многоканальные системы передачи представляют собой большие и сложные технические системы, которые воплощают в себе самые современные знания и технологии, полученные в разных областях науки и техники. Чтобы дать компактное и в то же время исчерпывающее описание этих систем, нужно использовать общепринятые (желательно согласованные на международном уровне) термины и определения различных объектов, процессов и устройств, относящихся к этой области.
Информацией называют совокупность сведений, данных о каких-либо событиях, явлениях или предметах окружающего нас мира. Для передачи или хранения информации используют различные знаки (символы), которые являются своеобразной формой представления информации. Такими знаками могут быть слова и фразы человеческой речи на том или ином языке, буквы и слова письменной речи, жесты и рисунки, математические и нотные знаки и т. п. Совокупность знаков, отображающих ту или иную информацию, называют сообщением.
Сообщение может иметь электрическую или неэлектрическую природу. В большинстве случаев интерес представляют сообщения неэлектрической природы. Источник и получатель сообщений разделены некоторой средой, в которой источник образует возмущения. Именно эти возмущения отображают сообщения и воспринимаются получателем. Например, при разговоре источником сообщений является голосовой аппарат человека, в качестве сообщения выступает изменяющееся в пространстве и во времени воздушное давление – акустические волны, а получателем служит человеческое ухо.
Процесс передачи (транспортирования) сообщения от источника к получателю в соответствии с принятыми правилами называют связью. При этом используют какой-либо материальный носитель сообщения (бумагу, магнитную ленту и т. д.) и/или физический процесс, отображающий (несущий) передаваемое сообщение. Последний называют сигналом. Тип сигнала определяется характером физического процесса передачи информации. Сигнал называют электрическим, если физический процесс представляет собой передачу электрического тока (напряжения), звуковым – если используется передача акустических колебаний и т. д.
Совокупность средств, обеспечивающих передачу сообщений от источника к получателю, образует канал связи.
Передача сообщений посредством электрических сигналов называется электросвязью, соответственно канал связи, который обеспечивает такую передачу, – каналом электросвязи.
Для передачи каких-либо сообщений неэлектрической природы по каналу электросвязи они должны подвергнуться определенным преобразованиям, которые выполняют первичные преобразователи сообщений (ППС). ППС представляет собой устройство, которое формирует в пункте передачи первичный электрическийсигнал (ПЭС) – электромагнитное колебание, изменение параметров которого соответствует сообщению неэлектрической природы. Примерами ПЭС являются телефонный, телеграфный, телевизионный, сигнал звукового вещания и другие сигналы. В качестве типовых ППС можно назвать микрофон, фотодиод, телевизионную передающую камеру и т. д.
Первичный электрический сигнал может передаваться непосредственно по физической цепи, содержащей пару металлических проводников, но, как правило, ПЭС подвергается дополнительным преобразованиям. Например, для передачи по волоконно-оптической линии связи ПЭС преобразуется в определенного вида оптический сигнал, для направленной передачи в открытом пространстве – в высокочастотный радиосигнал и т. д. На приемной стороне осуществляются обратные преобразования и снова восстанавливается ПЭС. Далее он поступает на обратный преобразователь сообщения (ОПС) – устройство, которое преобразует электрический сигнал в сообщение неэлектрической природы. Типовыми ОПС являются громкоговоритель, светодиод, кинескоп телевизора и др.
Различные виды электросвязи классифицируют либо по типу передаваемых ПЭС (например, телефонная, видеотелефонная, телеграфная, факсимильная, телевизионная и т. п.), либо по типу линии передачи (спутниковая, волоконно-оптическая, радиорелейная и т. п.), если канал электросвязи является универсальным.
Системой электросвязи называют совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающих передачу сигналов электросвязи. В качестве среды распространения используют проводные и беспроводные линии (или радиолинии).
Проводными называются линии, в которых электромагнитные сигналы распространяются в пространстве вдоль непрерывной направляющей среды. К проводным относятся металлические воздушные и кабельные линии, волноводы, световоды. В радиолиниях сообщения передаются посредством радиоволн в открытом пространстве. Этот вид связи обеспечивает большую дальность, пригоден для подвижных источников и получателей сообщения, но зато в большей степени подвержен воздействию внешних помех.
1.2. Первичные и вторичные сети
Понятия "первичные и вторичные сети" были одними из основных в терминологии Взаимоувязанной сети связи (ВСС) России (а до этого – в терминологии ЕАСС) и определяли архитектуру ее построения.
Под первичной сетью понимается совокупность типовых физических цепей, типовых каналов передачи и сетевых трактов, образованных на базе сетевых узлов, сетевых станций, оконечных устройств первичной сети и соединяющих их линий передачи.
Вторичная сеть определяется как совокупность линий и каналов вторичной сети, образованных на базе первичной сети, станций и узлов коммутации или станций и узлов переключений, предназначенная для организации связи между двумя определенными точками или более. Границами вторичной сети являются ее стыки с абонентскими оконечными устройствами. В зависимости от основного вида электросвязи вторичную сеть называли телефонной, телеграфной, передачи данных, сетью распространения программ телевизионного вещания, передачи газет и др. По территориальному признаку вторичные сети разделяли на междугородные и зоновые (внутризоновые и местные).
На базе вторичных сетей организуются системы, представляющие собой комплекс технических средств, осуществляющих электросвязь определенного вида и включающие в себя соответствующую вторичную сеть и подсистемы: нумерации, сигнализации, учета стоимости и расчета с абонентами, технического обслуживания и управления.
На современном этапе, с появлением новых услуг связи , помимо телефонной, с появлением большого количества независимых провайдеров, которые эти услуги поставляют, а также таких технологий как АТМ и MPLS и других, стандарты которых захватывают как первичную, так и вторичные сети передачи информации границы между первичными и вторичными сетями постоянно стираются.
Бурное развитие современных технологий приводит к тому, что нормативная база резко отстала от существующего положения на сетях.
На сегодняший момен, на мой взгляд, следует остановиться на следующих определениях: следует оставить понятие первичной сети, как транспортной сети (линии передачи с оконечным оборудованием); вторичная сеть – сеть услуг (телефонная связь, передача данных и т. д.)
1.3. Классификация и перспективы развития МСП
Многоканальные системы передачи (МСП) представляют собой комплекс технических средств, обеспечивающих одновременную и независимую передачу нескольких сигналов с требуемым качеством по одной линии передачи. МСП классифицируются по следующим признакам.
1. По виду направляющей среды: проводные и беспроводные.
В свою очередь различают: а) проводные по воздушным линиям – ВСП; по кабельным линиям – КСП; по волоконно-оптическим линиям – ВОСП; б) беспроводные по радиорелейным линиям передачи – РРСП; по спутниковым линиям – ССП.
2. По числу источников сообщений (числу каналов N): а) малоканальные – N< 12 (обычно по воздушным линиям связи); б) среднеканальные – N= 12 – 60 (обычно КСП по симметричным кабелям или РРСП); в) многоканальные – N > 300 (обычно КСП по коаксиальным кабелям или РРСП, а также ВОСП); г) сверхмногоканальные – N >> 3000 (только ВОСП или КСП по «большим» коаксиальным кабелям, например система К-3600).
Для унификации МСП число источников сообщений (каналов) определяют по числу эквивалентных телефонных сообщений, которые могут быть переданы в МСП.
3 По форме передаваемых сигналов: а) аналоговые (АСП) – используемые для передачи аналоговых электрических сигналов, которые за конечный интервал времени могут принимать бесконечное множество состояний (рис. 1.4,а). Примером таких АСП являются системы типа В-12, К-1920 и т. п.; б) дискретные – используемые для передачи дискретных сигналов, которые на конечном интервале времени имеют конечное (дискретное, счетное) число состояний (рис. 1.4,б); в) цифровые (ДСП) – используемые для передачи цифровых сигналов, которые дискретны по времени и имеют два разрешенных уровня «1» и «0» мгновенных значений (рис. 1.4,в). Примером ЦСП является аппаратура типа ИКМ-30, ИКМ-1920 и т. п.
Рис. 1.4 а. Рис. 1.4 б. Рис. 1.4 в.
Основные тенденции развития МСП:
1. постоянный и неуклонный переход от АСП к ЦСП;
2. преимущественное развитие ВОСП, особенно магистральных с большим числом каналов;
3. увеличение доли ССП;
4. повышение надежности, улучшение качественных показателей МСП.
2. Параметры типовых первичных сигналов
2.1. Обобщенная система параметров первичного сигнала
Спектральная плотность Gx(f) случайного процесса характеризует распределение мощности отдельных спектральных компонент сигнала x(t) . Если сигнал x(t) периодический, то функция Gx(f) дискретна; если сигнал x(t) непериодический, то функция Gx(f) непрерывна.
Передать сигнал без искажений, не передавая его спектр, невозможно. Любое сокращение спектра, допущенное при передаче, ведет к искажению сигнала.
Все реально существующие сигналы связи представляют собой случайные процессы с бесконечно широким спектром. При этом, основная энергия сосредоточена в относительно узкой полосе частот. Поскольку передать весь спектр сигнала невозможно, то по линии связи передают ту часть спектра сигнала, в которой сосредоточена основная энергия, и при этом искажения не превышают допустимых значений.
На рисунке 2.1 приведены характерные зависимости Gx(f) :
Рис. 2.1. Характерные зависимости спектральной плотности Gx(f) :
а) для случая, когда спектр сигнала сосредоточен в основном в полосе частот Fн < f < Fв, где Fн, Fв – нижние и верхние граничные частоты (рис. 2.1 а);
Если Fв/Fн >> 1, то сигнал считается широкополосным; при Fв/Fн ≈ 1 – узкополосным.
б) когда 0 < f < Fв т. е. Fн = 0 (рис. 2.1, б);
в) когда сигнал имеет бесконечно широкий и равномерный спектр, этот вариант является удобной математической моделью и соответствует условному сигналу, называемому «белым шумом» (рис. 2.1, в).
Ширина спектра сигнала, равная разности максимальной FВ и минимальной FН частот передаваемого спектра ΔF=FВ – FН является одной из важнейших его характеристик.
Мощность сигнала, усредненную на интервале времени T → ∞ называют средней долговременной мощностью Рх. ср. Если T конечно, например 1 минута или 1 час, то получим среднеминутную или среднечасовую мощность. Наконец, при T → 0 получим мгновенное значение мощности сигнала Рх в момент t0.
Поскольку x(t) – случайный процесс, то строго теоретически в отдельные моменты времени выбросы сигнала x(t) и соответственно мгновенное значение мощности Px(t) (усредненной за малый интервал ΔT) могут быть очень большими. Обычно за максимальную мощность сигнала принимается такая величина Px max = Xmax2, превзойти которую мгновенное значение Px может только с очень малой вероятностью ε. Обычно ε = 0,01 или 0,001.
Пик-фактор сигнала – это отношение его максимальной мощности Pmax, определенной выше, к средней долговременной Pср, выраженной в логарифмических единицах (децибелах):
.
Для большинства сигналов Кп не превышает 13 – 18 дБ.
В процессе передачи сигнал x(t) по тем или иным причинам (иногда и сознательным) искажается в результате к получателю поступает сигнал x’(t) ≠ x(t). Ошибка воспроизведения сигнала x(t) оценивается мощностью ошибки Pε, определяемой в виде
Получатель не замечает искажений сигнала, если Pε не превышает некоторо допустимогоо (порогового) значения Pε max. Под динамическим диапазоном понимается величина
, дБ,
где Pmax – максимально возможная мощность сигнала.
Также динамический диапазон определяется как отношение максимальной (пиковой) мощности Рс max сигнала к его минимальной мощности Рс min , выраженное в логарифмических единицах. Под пиковой мощностью понимается мощность сигнала, превышаемая в течение определенного времени. Динамический диапазон сигнала при использовании системы десятичных логарифмов
Динамический диапазон речевых сигналов составляет 35 – 40 дБ.
В реальных условиях сигналы связи передаются по линиям передачи, в которых действуют различного рода помехи. Поэтому наиболее важным является не абсолютное значение мощности сигнала, а ее соотношение с мощностью помехи. Из этих соображений обычно рассматривается и нормируется особая величина – защищенность сигнала от того или иного вида помехи.
Под защищенностью понимается разность уровней сигнала и помехи в данной точке канала связи:
Информационная производительность источника определяется отношением количества информации ИΣ, переданной с помощью ПЭС к получателю (приемнику) за время tΣ, к величине интервала tΣ:
При tΣ → ∞ величина I определяет среднюю информационную производительность источника; если tΣ мало, то тогда I характеризует мгновенную информационную производительность.
Найдем количество информации для источника дискретного сигнала, имеющего L разрешенных состояний (уровней) (рис. 2.2).
На интервале ti < t< ti+1 сигнал принимает i-й уровень (i Є ) с вероятностью pi..jpg" width="195" height="43">
Тогда производительность дискретного источника будет равна
где Тп – длительность элементарной посылки (рис. 2.2), FТ = 1/Tп – частота следования посылок (тактовая частота).
Пример. Пусть вероятность принятия i – го уровня одинакова для всех i Є ,
Подставляя значение pi находим
Если сигнал имеет два разрешенных уровня («0» и «1»), т. е. L = 2, причем p0 = p1 = 0,5, то получим для цифрового сигнала
Т. е. информационная производительность источника двоичного сигнала совпадает с его тактовой частотой. Например, информационная производительность источника основного цифрового канала (ОЦК), тактовая частота которого равна 64 кГц, будет равна 64 кБит/с.
Для аналогового сигнала
где величины FВ, Рср и Рε max определялись выше; D* и Кп* - соответственно динамический диапазон и пик-фактор сигнала, выраженные в разах (а не в дицибелах).
Если можно принять, что D*/K* >> 1, то тогда из предыдущей формулы имеем
Здесь D и Кп подставляются в децибелах, FВ – в герцах.
2.2. Основные параметры типовых первичных сигналов
2.2.1. Телефонный сигнал
Усредненная спектральная плотность (синоним – энергетический спектр) речевого сигнала, получаемого на выходе микрофона телефонного аппарата, показана на рис. 2.3.
Спектр сосредоточен в основном в пределах от 0,3 до 3,4 кГц. Это обусловлено, в первую очередь, параметрами первичных абонентских преобразователей – микрофона и телефона. Максимум спектра соответствует частоте F0, которая для мужских и женских голосов изменяется в пределах от 300 до 500 Гц.
Плотность распределения уровней абонентов на входе многоканальных систем передачи примерно описывается нормальным законом (рис. 2.4).
В зависимости от того, в какой точке системы будет измеряться это распределение, функция W(p) параллельно сместится по оси уровней р. Максимум ее соответствует уровню рср для некоторого среднего абонента в этой точке. Как правило, указывается функция W(p), приведенная ко входу системы (обычно точка нулевого относительного уровня ТНОУ):
Разброс уровней относительно рср не зависит от точки измерения и характеризуется дисперсией σр , которая равна 4,5 ... 5,5 дБ. Для нормального закона справедливо правило «трех сигм», в соответствии с которым максимальный уровень абонента pmax с вероятностью 99,9% равен pmax < (рср + З σр ).
Отношение средней мощности сигнала Рср к мощности той максимальной ошибки Рε, которую еще не чувствует ухо в условиях разговора, для всех абонентов, как показывает эксперимент, составляет
То же можно сказать и о пик-факторе любого абонентского сигнала, который равен Кп ≈ 15 – 17 дБ.
Тогда динамический диапазон сигнала равен
При оценке информационной производительности источников телефонного сигнала по ((номер формулы производительности для аналогового источника)) необходимо учесть, что каждый абонент говорит в среднем половину времени, отводимого для диалога с другим абонентом. Кроме того, значительная доля времени уходит на паузы, обдумывание ответов и т. п. За счет указанных факторов производительность источника сообщений уменьшается в среднем в 3 – 4 раза, что учитывается коэффициентом активности τа = З-1 Тогда используя формулу для информационной производительность источника аналогового сигнала, получи
2.2.2. Сигнал звукового вещания
Источниками звука при передаче программ звукового вещания (ЗВ) обычно являются музыкальные инструменты и голос человека. В качестве первичных преобразователей сигнала ЗВ используются высококачественные широкополосные микрофоны и громкоговорители, способные в принципе передать весь спектр звуков, которые может слышать человеческое ухо. Частотный спектр сигнала вещания расположен в полосе частот от 15 доГц. Однако в зависимости от требований к качеству воспроизведения полоса частот может быть ограничена:
для передачи по высшему классу - FH = 0,02 кГц, FB = 15 кГц;
по первому классу - FH = 0,05 кГц, FB = 10 кГц;
по второму классу - FH = 0,1 кГц, FB = 6 кГц.
Как правило, по международным магистралям международные и республиканские программы ЗВ передаются по 1-му классу, местные распределительные сети ЗВ обычно обеспечивают качество передачи по 2-му классу, аппаратура студий и домов звукозаписи рассчитывается на передачу сигнала ЗВ по высшему классу.
Допустимая ошибка воспроизведения сигнала ЗВ, оцениваемая величиной
101g(Pcp/ Pε), дБ, находится путем профессиональной экспертизы при использовании высококачественной аппаратуры (первичных преобразователей). Она составляет примерно 54 – 56 дБ. Пик-фактор сигнала ЗВ равен 16 – 18 дБ. Соответственно динамический диапазон на основании равен D = 70 – 74 дБ. Определяем производительность источника сигнала ЗВ:
https://pandia.ru/text/78/323/images/image025_36.jpg" width="350" height="48 src=">
При использовании факсимильной аппаратуры «Газета-2», применяемой для передачи газетных полос по междугородным линиям связи, наивысшая частота рисунка равна 180 кГц при времени передачи одной полосы 2,3 .... 2,5 мин. Изображение газетной полосы является растрированным (штриховым) с числом уровней L = 2. Тогда
https://pandia.ru/text/78/323/images/image015_49.jpg" width="77" height="41">
Скорость передачи оценивают или частотой fТ = 1/τи, или числом элементарных символов за 1 с в бодах (1 Бод соответствует передаче одного символа в секунду). По этому параметру источники дискретной информации делят на низкоскоростные (в их числе и телеграфные), которые имеют скорость не более 200 Бод, среднескоростные – от 300 до 1200 Бод и высокоскоростные – более 1200 Бод.
2.3.5. Телевизионный сигнал.
В телевидении, так же как и при факсимильной связи, первичный сигнал формируется методом развертки. Электрический сигнал, включающий в себя сигнал изображения и управляющие импульсы, называется полным телевизионным сигналом. Для сигнала вещательного телевидения характерно D = 40 дБ, FB = 6,0 МГц.
3. Принципы временного уплотнения сигналов
3.1. Общие принципы формирования основного цифрового канала
Как известно, при переходе из аналоговой формы в цифровую сигнал претерпевает следующие преобразования (рис. 3.1.):
Рис. 3.1. Преобразование аналогового сигнала в цифровой ИКМ-сигнал
Дискретизация индивидуальных сигналов по времени, в результате чего формируется импульсный сигнал, промоделированный по амплитуде, т. е. АИМ сигнал;
Объединения N индивидуальных АИМ сигналов в групповой АИМ сигнал с использованием принципов временного разделения каналов;
Квантования группового АИМ сигнала по уровню;
Последовательного кодирования отсчетов группового АИМ сигнала, в результате чего формируется групповой ИКМ сигнал, т. е. цифровой сигнал.
Таким образом, при частоте дискретизации FД=8кГц (TД=125 мкс) и разрядности кода m=8 получаем скорость передачи сформированного ИКМ-сигнала 64 кбит/с, которая и является скоростью основного цифрового канала (ОЦК). Преобразование аналогового сигнала в сигнал ИКМ стандартизировано МСЭ-Т Рекомендацией G-711.
3.2. Временное объединение аналоговых сигналов
При временном уплотнении сигналов их передача осуществляется дискретно во времени. При этом между соседними дискретами одного сигнала всегда имеются «временные окна», в которых нет передачи этого сигнала. Эти «окна» и заполняются дискретами других сигналов. В зависимости от того, в какой форме представлен дискрет каждого сигнала, возможны два вида временного уплотнения:
а) уплотнение сигналов в аналого-импульсной форме;
б) уплотнение сигналов в цифровой форме.
3.2.1. Общие принципы объединения аналоговых сигналов
При временном объединении аналоговых сигналов (рис. 3.2) каждый из сигналов многоканальной системы a 1 (t ) ÷ an (t ) (рис. 3.3, а, в) предварительно преобразуется из аналоговой формы в сигнал АИМ-1 или АИМ-2.
Формирование АИМ-сигналов производится с помощью дискретизаторов (см. рис. 3.24), которые управляются соответствующими импульсами коммутации U д1 ÷ U дn . Поскольку эти сигналы являются ортогональными (непересекающимися) во времени (см. рис. 3.25, б, г), то дискреты сигналов a д1 (t ) ÷ a дn (t ) также не совпадают во времени и их можно непосредственно объединить в групповой сигнал U гр(t) с помощью линейного сумматора 2 (рис. 3.25, д). Формирование сдвинутых во времени последовательностей импульсов U д1 ÷ U дn осуществляется с помощью генераторного оборудования (ГО) 3. Оно же с помощью передающего устройства синхросигналов 4 формирует специальный сигнал синхронизации, который объединяется с выборками информационных сигналов a 1 (t ) ÷ an (t ) . Элементарный цикл передачи в многоканальной системе строится по принципу: передается выборка 1-го канала, 2-го и т. д. до n-го, затем передается синхросигнал; потом снова выборки 1-го, 2-го канала и т. д.
На приемной стороне (рис. 3.4) дискретизаторы 11 – 1n осуществляют выделение из группового сигнала выборок только «своих» каналов. После канального фильтра 3i , i = 1, ...,n происходит восстановление непрерывного сигнала a i (t) из дискретизированного a дi (t ) ,.
Канальные дискретизаторы на передающей и приемной сторонах должны работать синхронно и синфазно. Для этого применяется принудительная синхронизация приемной части. Она выполняется с помощью специального приемника синхросигнала 2, который из группового сигнала выделяет сигнал синхронизации и подает его на генераторное оборудование приема 4. Для безошибочного выделения синхросигнала последнему придаются специфические признаки, отличающие его от информационных выборок. Отличием может быть амплитуда, длительность, форма и т. п. ГО передачи и приема строятся почти одинаково, только задающий генератор на стороне передачи работает в автономном режиме, а на стороне приема – в режиме – принудительной синхронизации. Преимущества такого варианта временного уплотнения заключаются в следующем:
1) для всех каналов используется общее ГО;
2) все сигналы дискретизируются с одной частотой, что позволяет использовать однотипные дискретизаторы и канальные фильтры;
3) аналого-цифровое преобразование (операции квантования по уровню и кодирования) выполняются одним групповым квантователем и кодирующим устройством;
4) цифро-аналоговое преобразование с на приемной стороне осуществляется одним I групповым декодером, который формирует групповой дискретизированный сигнал вида рис. 3.25, д.
3.2.2. Система передачи ИКМ-30
Такой вариант временного уплотнения применяется в первичных цифровых системах передачи типа ИКМ-30. Цикл передачи в этих системах поясняется на рис. 3.5.
Период цикла Tц равен периоду дискретизации телефонного сигнала Tд = 125 мкс (поскольку Fд = 8 кГц).
В интервале Тц последовательно передаются в цифровом двоичном коде выборки 30 телефонных сигналов и два служебных цифровых сигнала: цикловой синхронизации (ЦС) и сигналов управления и взаимодействия для АТС (СУВ). Каждая выборка передается в своем канальном интервале (КИ), имеет длительность кодовой комбинации Тк и состоит из m разрядов. Длительность разряда – Тт. При m = 8 получим
Канальные интервалы, нумеруемые цифрами 0, 1, 2, ..., 31, используются следующим образом: КИ0 – для передачи сигнала ЦС, КИ16 – СУВ, интервалы КИ1÷КИ15 и КИ17÷ КИ31 – для передачи соответственно 1 – 15-го и 16 – 31-го телефонных сигналов. Передача СУВ осуществляется путем организации «вынесенного сигнального канала» в отличие от большинства АСП, где СУВ передается в том же канале, что и информационный сигнал. В первичной ЦСП выборка СУВ одного абонента передается в виде 3-разрядной кодовой комбинации, при этом в одном КИ16 размещаются выборки СУВ двух абонентов. Для передачи по одному разу выборок всех 30 абонентов потребуется время Тсц = Тц (30/2 + 1) = 16 Тц = 2 мс, которое называется сверхциклом, при этом один из КИ16 в сверхцикле используется для передачи цифрового сигнала сверхцикловой синхронизации (СЦС). С помощью сигнала СЦС на приемной стороне производится разделение кодированных выборок СУВ отдельных каналов. Структурная схема приемника СУВ практически аналогична рис. 3.4.
Основными недостатками рассмотренного варианта временного уплотнения являются следующие:
1) с ростом числа объединяемых сигналов уменьшается интервал времени между соседними выборками (см. рис. 3.3, д), за которое групповой кодер (или декодер) должен произвести преобразование в цифровой сигнал (и обратно), в силу чего усложняется реализация этих групповых устройств;
Сообщения и соответствующие им сигналы по своей структуре могут быть непрерывными или дискретными.
Непрерывные сигналы определяются бесконечным множеством значений на конечном интервале времени. Такие сигналы описываются на некотором достаточно большом интервале времени непрерывными функциями времени. Типичным примером непрерывного сигнала может служить телефонный сигнал, отображающий речь, музыку, изменение температуры и т. д. (рис. 1.2).
Дискретными называются сигналы, характеризующиеся конечным числом значений на интервале времени их существования. Примером дискретного сигнала могут служить сигналы телеграфной связи, отображающие буквы алфавита и знаки определенными сочетаниями дискретных состояний сигнала (рис. 1.3).
Рис. 1.2. Телефонный сигнал Рис. 1.3. Телеграфные сигналы
Следует отметить, что и любой непрерывный сигнал для передачи сообщения с определенной точностью можно дискретизировать. Эта возможность основана на том, что все реальные сигналы имеют ограниченные спектры частот, т. е. описываются функциями с конечным множеством значений на конечном интервале времени.
Функции, описывающие сигналы связи, могут быть периодическими и непериодическими функциями времени. Из курса теории радиосигналов известно , что сигнал (функция) любого вида может быть разложен на гармонические составляющие: периодические сигналы – с помощью рядов Фурье, непериодические – с помощью интеграла Фурье.
Совокупность амплитуд гармонических составляющих называется спектром амплитуд или просто спектром сигнала.
Для анализа сигналов удобнее пользоваться не полными аналитическими описаниями сигналов (полная реализация которых не всегда возможна), а некоторыми обобщенными показателями или параметрами.
Такими обобщенными физическими параметрами сигнала являются:
– длительность сигнала ;
–ширина спектра частот ;
– динамический диапазон ;
Длительность характеризует время существования сигнала и, следовательно, время, на которое необходимо предоставить канал связи для передачи сигнала.
Ширина спектра частот характеризует форму сигнала и полосу пропускания канала, которую необходимо иметь для передачи сигнала по каналу.
Динамический диапазон сигнала Д характеризует превышение мощности сигнала над мощностью соответствующих сигналу помех , записанное в логарифмической форме:
Более точно динамическим диапазоном сигнала следует считать логарифм отношения его наибольшей мгновенной мощности и наименьшей мгновенной мощности. Но так как в канале связи минимальная мощность сигнала всегда должна превышать мощность помех, то в качестве обобщенного параметра выбрано превышение сигнала над помехой.
Первичные телефонные сигналы
Телефонные сигналы являются результатом преобразования речевых сообщений. Они представляют собой непрерывно изменяющийся по величине ток (напряжение), однозначно отображающий звуковые колебания. Первичные телефонные сигналы относятся к непрерывным непериодическим сигналам.
Речь человека содержит звуковые колебания в диапазоне от 80 до 10000Гц, а слуховой аппарат способен воспринимать звуковые колебания в диапазоне от 16 до 20000 Гц. Установлено также, что основная часть средней мощности сигнала, обеспечивающая громкость речи, сосредоточена в диапазоне от 300 до 600 Гц; остальные частотные составляющие спектра обеспечивают окраску звука.
Усредненный энергетический спектр речевого сигнала показан на рис. 1.4.
Рис. 1.4. Усредненный спектр речевого сигнала
Исходя из приведенных цифровых данных, в технике военной связи для получения достаточной громкости и разборчивости речи сигнал ограничивают полосой 300...3400 Гц. Эта полоса является стандартной для военной радиосвязи и имеет специальное название ЭППЧ - эффективно передаваемая полоса частот.
В радиовещании на длинных, средних и коротких волнах ЭППЧ будет составлять 50...4500 Гц, в УКВ диапазоне - 30... 10000 Гц, а для передачи стереофонических программ - 20...20000 Гц.
Сигнал может быть охарактеризован различными параметрами. Таких параметров, вообще говоря, очень много, но для задач, которые приходится решать на практике, существенно лишь небольшое их число. Например, при выборе прибора для контроля технологического процесса может потребоваться знание дисперсии сигнала; если сигнал используется для управления, существенным является его мощность и так далее. Рассматривают три основных параметра сигнала, существенных для передачи информации по каналу. Первый важный параметр - это время передачи сигнала T с . Второй характеристикой, которую приходится учитывать, является мощность P с сигнала, передаваемого по каналу с определенным уровнем помех P z . Чем больше значение P с по сравнению с P z , тем меньше вероятность ошибочного приема. Таким образом, представляет интерес отношение P с /P z . Удобно пользоваться логарифмом этого отношения, называемым превышением сигнала над помехой:
Третьим важным параметром является спектр частот F x . Эти три параметра позволяют представить любой сигнал в трехмерном пространстве с координатами L, T, F в виде параллелепипеда с объемом T x F x L x . Это произведение носит название объема сигнала и обозначается через V x
Информационный канал можно характеризовать также тремя соответствующими параметрами: временем использования канала Т к , шириной полосы частот, пропускаемых каналом F k , и динамическим диапазоном канала D k характеризующим его способность передавать различные уровни сигнала.
Величина
называется емкостью канала.
Неискаженная передача сигналов возможна только при условии, что сигнал по своему объему «вмещается» в емкость канала.
Следовательно, общее условие согласования сигнала с каналом передачи информации определяется соотношением
Однако соотношение выражает необходимое, но недостаточное условие согласования сигнала с каналом. Достаточным условием является согласование по всем параметрам:
Для информационного канала пользуются понятиями: скорость ввода информации, скорость передачи информации и пропускная способность канала.
Под скоростью ввода информации (потоком информации) I(X) понимают среднее количество информации, вводимое от источника сообщений в информационный канал в единицу времени. Эта характеристика источника сообщений и определяется только статистическими свойствами сообщений.
Скорость передачи информации I(Z,Y) – среднее количество информации, передаваемое по каналу в единицу времени. Она зависит от статистических свойств передаваемого сигнала и от свойств канала.
Пропускная способность С – наибольшая теоретически достижимая для данного канала скорость передачи информации. Это характеристика канала и не зависит от статистики сигнала.
С целью наиболее эффективного использования информационного канала необходимо принимать меры к тому, чтобы скорость передачи информации была как можно ближе к пропускной способности канала. Вместе с тем скорость ввода информации не должна превышать пропускную способность канала, иначе не вся информациябудет передана по каналу.
Это основное условие динамического согласования источника сообщений и информационного канала.
Одним из основных вопросов в теории передачи информации является определение зависимости скорости передачи информации и пропускной способности от параметров канала и характеристик сигналов и помех. Эти вопросы были впервые глубоко исследованы К. Шенноном.
