Способы преобразования сообщения в сигнал и обратно

В системах электросвязи применяют различные по устройству и принципу работы преобразователи сообщения в сигнал (на передающем конце) и обратно (на приемном конце). Это зависит от вида и характера передаваемых сообщений. В системах передачи оптических сообщений в качестве таких преобразователей применяются фотоэлектрические преобразователи и электрооптические устройства. В системах передачи звуковых сообщений используются соответственно акустоэлектрические и электроакустические преобразователи.

Преобразующие устройства могут выполнять как прямое(непосредственное), так и условное преобразования.

При прямом преобразовании информационные параметры сообщения и сигнала изменяются по одним и тем же законам. Например, изменения электрического сигнала на выходе акустоэлектрических преобразователей точно повторяют изменения звукового давления. Это достигается благодаря включению в электрическую цепь устройств, чувствительных к изменению звукового давления. Пропорционально изменению давления изменяется сопротивление электрическому току. В результате величина тока изменяется в соответствии с изменением сообщения. Обратное преобразование сигнала в звуковое сообщение осуществляется с помощью электромагнита. В обмотку электромагнита поступает сигнал, создающий переменное магнитное поле, которое приводит в колебательное движение мембрану, вызывающую в окружающей среде звуковые колебания.

При условном преобразовании связь между информационными параметрами сообщения и сигнала - условная. При этом применяются коды, т. е. каждый знак сообщения при передаче преобразуется в определенную комбинацию электрических импульсов, а в процессе приема по этой комбинации определяется соответствующий знак. Коды используются для преобразования оптических сообщений в сигнал. Примером служит принцип действия факсимильного аппарата.

Преобразователь: звук – сигнал

Простейший преобразователь этого типа - угольный микрофон. Основными элементами микрофона являются подвижный и неподвижный электроды, подключенные к электрической цепи, и угольный порошок, заполняющий пространство между электродами. Подвижный электрод жестко связан с мембраной, воспринимающей колебания окружающего слоя воздуха. Элементы микрофона помещены в общий корпус, изготовленный из изоляционного материала.

Рис. 5.3. Угольный микрофон

Звуковые колебания воздуха приводят к соответствующим колебаниям мембраны. Вместе с мембраной колеблется, совершая горизонтальные движения, подвижный электрод, изменяющий плотность угольного порошка. При увеличении плотности угольного порошка его сопротивление электрическому току уменьшается, а при уменьшении – увеличивается. Следовательно, ток в цепи будет изменяться прямо пропорционально изменению звукового давления. При отсутствии звуковых колебаний мембрана находится в состоянии покоя, сопротивление порошка не изменяется, а в цепи микрофона протекает неизменяющийся, т.е. постоянный ток. С появлением звуковых колебаний, т.е. с началом изменения звукового давления, ток начинает изменяться по закону изменения давления.

Преобразователь: сигнал – звук

Примером преобразователя сигнала в звук служит электромагнитный телефон. Основными элементами телефона (рис 5.4) являются: постоянный магнит, электромагнит, состоящий из двух обмоток с сердечником и мембрана.

Принцип действия электромагнитного телефона основан на взаимодействии магнитных потоков и , создаваемых соответственно постоянным магнитом и электромагнитом. Под действием результирующего (суммарного) потока мембрана телефона совершает колебательные движения, совпадающие с направлением электрического тока, поступающего в обмотку электромагнита.

Рис 5.4. Устройство электромагнитного телефона

В покое, т.е. при отсутствии тока в обмотках электромагнита, мембрана притянута к сердечнику под действием магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом. Она имеет небольшой погиб в сторону сердечника и неподвижна. Появление переменного электрического тока в обмотках электромагнита создает в сердечнике дополнительный переменный магнитный поток, направление которого совпадает либо противоположно направления потока, создаваемого постоянным магнитом. В результате мембрана будет совершать колебательные движения, соответствующие изменению силы тока. Колебательные движения мембраны создают распространяющиеся колебательные движения частиц воздуха, воспринимающиеся ухом человека как звук.

Преобразователи: неподвижное изображение - сигнал

Любое изображение можно рассматривать как совокупность большого числа элементов, способных в различной степени отражать падающий на них свет.

Этот принцип положен в основу работы фотоэлектрических преобразователей.

Преобразование изображений в электрический сигнал с помощью фотоэлектрических преобразователей происходит поэлементно. Для этого поверхность бланка с изображением разбивается на большое число маленьких участков, называемых элементарными площадками, см. рис. 5.5.Размер площадки (порядка 0.3 х 0,2 мм) выбирается так, чтобы отражательная способность в её пределах была однородной, т.е. чтобы она характеризовалась одним значением коэффициента отражения.

Освещение элементарных площадок происходит за счет перемещения по поверхности изображения светового луча, создаваемого светооптической системой. Процесс перемещения луча называется разверткой, с её помощью изображение разбивается на строки. Яркость отраженного света зависит от цвета элементарной площадки. Черные площадки полностью поглощают падающий на них свет. Яркость отраженного света от них минимальна. Наоборот, площадки белого цвета полностью отражают падающий на них свет. Яркость отраженного света от них максимальна.

Отраженный световой поток попадает на фотоэлектрический преобразователь (фотоэлемент), выходной электрический сигнал которого повторяет форму входного светового сигнала. Узлы передающей аппаратуры, обеспечивающие развертку изображения и фотоэлектрическое преобразование, объединяются в группу анализирующих устройств.

Рис. 5.5. Разложение изображения на элементарные площадки.

Рассмотрим изображение, состоящее только из двух цветов: черного и белого, например, страницу книги, какой либо чертеж и т.п. Очевидно каждый элемент изображения (напомним, что размером он всего 0,2 x 0,2 мм) будет представлять собой либо черную, либо белую площадку, напоминая чередованием шахматную доску.

Рис 5.6. Преобразование неподвижного изображения в электрический сигнал

в факсимильном аппарате

Черные площадки практически полностью поглощают падающий на них свет. Яркость отраженного ими света при этом настолько ничтожна, что при просмотре черных площадок ток в цепи фотоэлемента не возникает. Наоборот площадки белого цвета почти полностью отражают падающий на них свет, и при попадании на них светового луча ток в цепи фотоэлемента скачком принимает максимальное значение.

Таким образом, перемещая световое пятно, а вслед за ним и фотоэлемент вдоль каждой строки изображения, получаем на выходе фотоэлемента последовательность импульсов (рис 5.6).

Рис 5.7. Фотоэлемент

Принцип действия фотоэлемента основан на внешнем фотоэффекте. Суть его заключается в испускании электронов некоторыми веществами под действием светового потока. Поток испускаемых электронов замыкает электрическую цепь, образованную фотоэлементом, сопротивлением и источником. Протекая по сопротивлению, этот поток выдает напряжение – сигнал.

Преобразователи: сигнал - неподвижное изображение

Принцип действия преобразователя сигнал – неподвижное изображение можно пояснить с помощью структурной схемы факсимильной связи, изображенной на рис. 5.8

Модулятор света (МС) – источник света, яркость которого пропорциональна величине проходящего через него тока (сигнала). Световой поток от модулятора света собирается и фокусируется объективом на участке светочувствительного материала (фотобумаге), закрепленного на барабане. Барабаны в передающем и приемном устройствах вращаются синхронно.

Преобразование электрического сигнала в изображение может строиться и по другому принципу. Например, в принтере для получения изображения используются различного рода пишущие устройства (ролики, шарики, трубочки), способные оставлять след на бумаге.

Рис. 5.8. Структурная схема факсимильной связи: ИС - источник света, Л - линза, ФЭП – фотоэлектрический преобразователь, МС - модулятор света.

Преобразователи: подвижное изображение - сигнал

Процесс преобразования подвижных изображений в сигнал основывается на тех же принципах, что и процесс преобразования неподвижных изображений, однако значительно сложнее в реализации. Добавляется эффект движения, который достигается, как и в кино, благодаря быстрой смене кадров (24 кадра в секунду). Благодаря инерционности зрения человек не замечает моменты смены кадров и у него создается ощущение перемещения объектов изображения. Из-за быстрой смены кадров преобразование подвижных изображений в сигнал должно происходить с большей скоростью, чем преобразование неподвижных. Поэтому для такого преобразования используются не механические, а электронные развертывающие устройства, которые называют электронными трубками.

Упрощенная схема передающей телевизионной трубки включает в себя:

-стеклянный вакуумный баллон с электронным прожектором и мишенью,

-фокусирующую систему (ФС) и отклоняющую систему (ОС).

Источник напряжения G , электронный луч и резистор вместе с проводами образуют электрическую цепь. Мишень имеет слой, который меняет свою проводимость в зависимости от освещенности. Поэтому участки мишени, освещенные по-разному, будут иметь разную проводимость. Движущееся изображение проецируется на мишень с помощью объектива и вызывает изменение тока в цепи соответственно освещенности пробегаемых лучом отдельных участков мишени. Тем самым обеспечивается последовательное преобразование освещенности изображения в сигнал, который принято называть видеосигналом.

Упрощенная схема приемной телевизионной трубки (кинескопа) включает в себя:

-стеклянный вакуумный баллон с покрытым люминофором экраном,

-электронный прожектор,

- отклоняющую систему (ОС), заставляющую электронный луч пробегать весь экран кадрами.

Электронный луч, интенсивность которого изменяется в соответствии с сигналом, направляется на экран и последовательно высвечивает строку за строкой. Пробег всего экрана образует кадр. Ввиду большой скорости изменения кадров и инерционности зрения человек наблюдает на экране цельное и движущееся изображение.

Рис 5.9 Система телевизионного вещания и её элементы.

Телевизионный сигнал обычно передаётся по радиоканалу, который содержит телевизионный радиопередатчик РПер, передающую антенну, физическую среду (воздушное пространство), приемную антенну и телевизионный радиоприемник РПр. Телевизионный сигнал может передаваться и по кабелям.

Преобразователи: знак - сигнал

Преобразование знакового сообщения в сигнал в любой системе электро­связи, как известно, выполняется преобразователем. В дискретных системах, как отмечалось, используется условный, или, как его часто называют, кодовый метод преобразования, при котором знаки сообщения преобразуются в комбинацию двоичных импуль­сов. Это преобразование происходит в три этапа:

первый этап — кодирование;

второй — распределение элементов комбинации во времени;

третий — последовательное преобразование элементов комбинации в электрические импульсы (посылки) и передача их в канал.

Процесс преобразования знака сообщения (буквы Ф) в сигнал показан на рис. 5.10 слева. Каждый этап преобразования выполняется специальным устройством, поэтому преобразователь имеет три основных и ряд вспомогательных элементов. Основными элементами преобразователя являются: кодирующее, распределительное и выходное устройства. Они показаны на рис. 5.10 справа.

Кодирующее устройство обеспечивает преобразование знаков сообщений в кодовые комбинации (I этап). В него вводится знак, а с выхода снимается соответствующая n-элементная комбинация (на рисунке п = 5). Поэтому устройство имеет п выходов. Коди­рующие устройства могут быть реализованы на различных эле­ментах. Обычно применяются электронно-механические кодирующие устройства, зависящие от типа двоич­ных элементов, используемых для формирования кодовых комби­наций.

Элементы кодовой комбинации одновременно (параллельно) подаются на входы распределителя, который обеспечивает после­довательную (поочередную) подачу их на выходное устройство (II этап). Распределители — электрон­ные устройства, реализуемые на бесконтактных двоичных устрой­ствах.

Рис. 5.10. Основные этапы работы и функциональные узлы преобразователя: знак - сигнал.

Выходное устройство выполняет последовательное преобразо­вание элементов комбинации в электрические импульсы (III этап). Функции выходных устройств часто выполняют контакты, време­нем замыкания и размыкания которых управляет распредели­тель. В электронных преобразователях выходное устройство представ­ляет собой электронное реле.

К вспомогательным элементам передатчиков относятся, уст­ройства ввода знаков и др. В современных преобразователях применяются устройства ввода знаков с клавиа­турой типа пишущих машинок. Ввод знака в таких устройствах производится путем нажатия соответствующей клавиши. Вид сигнала на выходе преобразователя показан на рис. 5.10.

Преобразователи: сигнал – знак

Преобразование сигнала в знаковое сообщение выполняется специаль­ным устройством, называемым преобразователем. В дискретных систе­мах связи преобразователи преобразуют комбинации двоичных импуль­сов в знаки сообщения. Это преобразование производится в четыре этапа, показанных на рис. 5.11 слева.

На первом этапе происходит последовательный поэлементный прием сигнала, в результате чего электрические импульсы преобразуются в элементы кодовой комбинации.

Второй этап связан с запоминанием и накоплением элементов комбина­ции на специальных двоичных устройствах.

Далее, на третьем этапе, эта комбинация декодируется, т. е. определяется знак, соответствующий принятой комбинации.

На четвертом этапе произ­водится запись или печатание знака на бумаге.

Каждый этап преобразования выполняется своим специальным устройством, поэтому приемники дискретных систем имеют четыре основных и несколько вспомогательных элементов. Они показаны на рис. 5.11 справа. Основными элементами приемников являются устройства: вход­ное, наборное, декодирующее и записывающее, выполняющие соответственно четыре этапа преобразования.

Входное устройствоимеет один вход и один выход. На его вход из канала связи последовательно поступают элементы сиг­нала — импульсы. Здесь они преобразуются в элементы кодовой комбинации в виде состояния какого-либо двоичного переключающего устройства.

Наборное устройство имеет п выходов (на рисунке п = 5), по которым элементы комбинации одновременно (параллельно) по­даются на декодирующее устройство.

Следовательно, декодирую­щее устройствоимеет п входов, а число выходов равно числу возможных знаков. Однако каждый раз срабатывает только один выход, соответствующий принятой комбинации и связанный с устройством записи определенного знака, т.е. происходит процесс декодирования.

Это срабатывание воздействует на устройство за­писи, которое запишет (отпечатает) принятый знак на бумаге.

Рис. 5.11. Основные этапы работы и функциональные узлы преобразователя: сигнал - знак.

Вспомогательными элементами приемников являются распре­делитель, задающее, управляющее и корректирующее устройства. Распределитель выполняет весьма сложную и ответственную функцию, заключающуюся в определении моментов срабатывания двоичных элементов наборного устройства. От того насколько правильно выбран этот момент, зависит правильность приема сообщения и устой­чивость работы всего преобразователя. Выбор и установка оптимального момента срабатывания осуществляется с помощью спе­циального корректирующего устройства, позволяющего, смещая во времени моменты срабатывания двоичных элементов относительно границ поступающих импульсов, добиться наиболее устойчивой работы наборного устройства. Скорость работы распределителя определяется задающим уст­ройством, а режим его работы — управляющим устройством.

Контрольные вопросы:

1. Какие характеристики косинусоидального сигнала вы знаете?

2. Назовите диапазаны частот сигналов, соответствующие:

-скрученной паре,

-коаксиальному кабелю,

-свободному пространству,

-оптоволокну.

3.Что можно измерять в децибелах?

4. Перечислите элементы структурной схемы электросвязи.

5. Назовите 4 класса преобразователей: сообщение - сигнал

6. Что называется прямым преобразованием сообщения в сигнал?

7. Что называется условным преобразованием сообщения в сигнал?

8. В чем заключается принцип работы микрофона?

9. В чем заключается принцип работы телефонного капсюля?

10. Как преобразуется неподвижное изображение в сигнал?

11. Как преобразуется сигнал в неподвижное изображение?

12. Каков принцип действия видикона?

13. Каков принцип действия кинескопа?

14. Каковы основные этапы работы преобразователя: знак – сигнал?

15. Каковы основные этапы работы преобразователя: сигнал – знак?