Основные определения 1 страница

Информация — сведения о каких-либо процессах, событиях, фактах или предметах. Известно, что 80..90% информации человек получает через органы зрения и 10..20% — через органы слуха. Другие органы чувств дают в сумме 1..2% информации. Физиологические возможности человека не позволяют обеспечить передачу больших объемов информации на значительные расстоя­ния.

Связь — техническая база, обеспечивающая передачу и прием информа­ции между удаленными друг от друга людьми или устройствами. Аналогия ме­жду связью и информацией такая же, как у транспорта и перевозимого груза. Средства связи не нужны, если нет информации, как не нужны транспортные средства при отсутствии груза.

Сообщение — форма выражения (представления) информации, удобная для передачи на расстояние. Различают оптические (телеграмма, письмо, фото­графия) и звуковые (речь, музыка) сообщения. Документальные сообщения на­носятся и хранятся на определенных носителях, чаще всего на бумаге. Сообще­ния, предназначенные для обработки на ЭВМ, принято называть данными.

Информационный параметр сообщения — параметр, в изменении кото­рого «заложена» информация. Для звуковых сообщений информационным па­раметром является мгновенное значение звукового давления, для неподвижных изображений — коэффициент отражения, для подвижных — яркость свечения участков экрана.

По характеру изменения информационных параметров различают непре­рывные и дискретные сообщения.

Сигнал — физический процесс, отображающий передаваемое сообщение. Отображение сообщения обеспечивается изменением какой-либо физической величины, характеризующей процесс. Эта величина является информационным параметром сигнала.

Сигналы, как и сообщения, могут быть непрерывными и дискретными. Информационный параметр непрерывного сигнала с течением времени может принимать любые мгновенные значения в определенных пределах. Непрерыв­ный сигнал часто называют аналоговым. Дискретный сигнал характеризуется конечным числом значений информационного параметра. Часто этот параметр принимает всего два значения. На рис. 3.1 показаны виды аналогового и дис­кретного сигналов.

Рис. 3.1. Виды сигналов: а — аналогового, б — дискретного

В дальнейшем будем рассматривать принципы и средства связи, основан­ные на использовании электрической энергии в качестве переносчиков сообще­ний, т.е. электрических сигналов. Выбор электрических сигналов для переноса сообщений на расстояние обусловлен их высокой скоростью распростране­ния (около 300 км/мс).

Общее определение уровней передачи

В технике связи наряду с абсолютными единицами измерения параметров электрических сигналов (мощность, напряжение и ток) широко используются относительные единицы.

Уровнем передачи сигнала в некоторой точке канала или тракта называют логарифмическое преобразование отношения энергетического параметра S (мощности, напряжения или тока) к отсчетному значению этого же параметра.

Правило преобразования определяется формулой:

p = m log_a (S/S_o) ,

где m — масштабный коэффициент; a — основание логарифма.

Уровни передачи измеряются в децибелах, если справедливы соотноше­ния:

для уровней по мощности

p_М = 10lg(P/P_o) , дБ_м

для уровней по напряжению

pн = 20lg(U/Uo) , дБ_н .

Уровень передачи называется абсолютным, если P₀=1 мВт. Если теперь задать R₀, то при заданных значениях мощности и сопротивления легко полу­чить соответствующие величины напряжения U₀ и тока I₀:

U₀ = (P₀R₀)^½ ; I₀ = (P₀/R₀)^½ .

При R₀= 600 Ом в практических расчетах принимают округленные значе­ния: для U₀= 0,775 В, а для I₀= 1,29 мА.

Измерительные уровни служат для определения уровней передачи с по­мощью измерительных приборов, называемых указателями уровня.

Для измерения уровня наиболее часто применяется схема известного ге­нератора, показанная на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Схема известного генератора

В этой схеме ко входу исследуемого объекта, например некоторого четы­рехполюсника, подключается генератор испытательного сигнала с полностью определенными параметрами, т.е. должно быть известно его выходное сопро­тивление R_Г, развиваемая ЭДС E_Г (или напряжение на входе объекта U_ВХ). Входное сопротивление объекта R_Г также должно быть известно. К выходу объекта подключается указатель уровня с входным сопротивлением, равным номинальному значению сопротивления нагрузки; реальная нагрузка при этом отключается.

В качестве испытательного при измерении уровней передачи чаще всего применяют одночастотный синусоидальный сигнал, частота которого также должна быть известна, а начальная фаза, как правило, не фиксируется.

Если по значению параметров подключенный генератор испытательного сигнала обладает свойством нормального, т.е. его внутреннее сопротивление равно 600 Ом, развиваемая ЭДС равна 1,55 В, то измеренный на сопротивлении R_Н уровень называется измерительным.

Параметры первичных сигналов

Описание сигналов электросвязи некоторым образом необходимо для их адекватной обработки в процессе передачи. Описанием сигнала может служить некоторая функция времени. Определив так или иначе данную функцию, опре­деляем и сигнал. Однако такое полное определение сигнала не всегда требу­ется. Достаточно описание в виде нескольких параметров, характеризующих основные свойства сигнала с точки зрения его передачи.

Если провести аналогию с транспортированием грузов, то для транспорт­ной сети определяющими параметрами груза являются его масса и габариты. Сигнал также является объектом транспортирования, а техника связи — техни­кой транспортирования (передачи) сигналов по каналам связи.

Основными первичными сигналами электросвязи являются: телефонный, звукового вещания, факсимильный, телевизионный, телеграфный, передачи данных.

Рис. 3.3. Спектральный состав речевого сигнала

Телефонный (речевой) сигнал. Звуки речи образуются в результате про­хождения воздушного потока из легких через голосовые связки и полости рта и носа. Частота импульсов основного тона (f₀ на рис. 3.3) лежит в пределах от 50..80 Гц (бас) до 200..250 Гц (женский и детский голоса). Импульсы основного тона содержат большое число гармоник (до 40) (2f₀,..,nf₀ на рис. 3.3), причем их амплитуды убывают с увеличением частоты со скоростью приблизительно 12 дБ на октаву (кривая 1 на рис. 3.3). (Напомним, что октавой называется диапа­зон частот, верхняя частота которого в два раза выше нижней. Т.о. амплитуда гармоники 2f₀ на 12 дБ больше, чем гармоники 4f₀ и т.д.). При разговоре частота основного тона f₀ меняется в значительных пределах.

В процессе прохождения воздушного потока из легких через голосовые связки и полости рта и носа образуются звуки речи, причем мощность гармоник частоты основного тона меняется (кривая 2 на рис. 3.3). Области повышенной мощности гармоник частоты основного тона называются формантами (рис. 3.3). Различные звуки речи содержат от двух до четырех формант. Высокое ка­чество передачи телефонного сигнала характеризуется уровнем громкости, раз­борчивостью, естественным звучанием голоса, низким уровнем помех. Эти факторы определяют требования к телефонным каналам.

Основными параметрами телефонного сигнала являются:

- мощность телефонного сигнала P_ТЛФ. Согласно данным МСЭ-Т средняя мощность телефонного сигнала в точке с нулевым измерительным уров­нем на интервале активности составляет 88 мкВт. С учетом коэффици­ента активности (0,25) средняя мощность телефонного сигнала P_СР равна 22 мкВт. Кроме речевых сигналов в канал связи могут поступать сигналы управления, набора номера и пр. С учетом этих сигналов среднюю мощ­ность телефонного сигнала принимают равной 32 мкВт, т.е. средний уро­вень телефонного сигнала составляет

P_СР = 10 lg(32 мкВт/1мВт) = - 15 дБм₀ ;

- коэффициент активности телефонного сообщения, т.е. отношение вре­мени, в течение которого мощность сигнала на выходе канала превышает заданное пороговое значение, к общему времени занятия канала для раз­говора. При разговоре каждый из собеседников говорит приблизительно 50% времени. Кроме того, отдельные слова, фразы отделяются паузами. Поэтому коэффициент активности составляет 0,25...0,35;

- динамический диапазон определяется выраженным в децибелах отноше­нием максимальной и минимальной мощности сигнала

D_C = 10 lg(P_max / P_min) дБ .

Динамический диапазон телефонного сигнала составляет D_С=35...40 дБ;

- пик-фактор сигнала

Q = 10lg(P_max / P_ср) ,

который составляет 14 дБ. При этом максимальная мощность, вероят­ность превышения которой чрезвычайно мала, равна 2220 мкВт (+3,5 дБм₀);

- энергетический спектр речевого сигнала — область частот, в которой сосре­доточена основная энергия сигнала (рис. 3.4)

β = 10 lg(П²(f)/(П₀)²)×∆f ,

где П²(f) — спектральная плотность среднего квадрата звукового давле­ния; П₀ — порог слышимости (минимальное звуковое давление, которое начинает ощущаться человеком с нормальным слухом на частотах 600..800 Гц); ∆f = 1 Гц.

Рис. 3.4. Энергетический спектр речевого сигнала

Из рис. 3.4 следует, что речь представляет собой широкополосный про­цесс, частотный спектр которого простирается от 50...100 Гц до 8000...10000 Гц. Установлено, однако, что качество речи получается вполне удовлетворитель­ным при ограничении спектра частотами 300...3400 Гц. Эти частоты приняты МСЭ-Т в качестве границ эффективного спектра речи. При указанной полосе частот слоговая разборчивость составляет около 90%, разборчивость фраз — бо­лее 99% и сохраняется удовлетворительная натуральность звучания.

Сигналы звукового вещания. Источником звука при передаче программ вещания обычно являются музыкальные инструменты или голос человека Па­раметры звукового вещания следующие:

динамический диапазон вещательной передачи следующий: речь диктора 25...35 дБ, художественное чтение 40...50 дБ, вокальные и инструменталь­ные ансамбли 45...55 дБ, симфонический оркестр до 65 дБ. При определе­нии динамического диапазона максимальным считается уровень, вероят­ность превышения которого равна 2%, а минимальным — 98%;

средняя мощность сигнала вещания существенно зависит от интервала ус­реднения. В точке с нулевым измерительным уровнем средняя мощ­ность составляет 923 мкВт при усреднении за час, 2230 мкВт — за минуту и 4500 мкВт — за секунду. Максимальная мощность сигнала вещания в точке с нулевым измерительным уровнем составляет 8000 мкВт;

частотный спектр сигнала вещания расположен в полосе частот 15...20000 Гц. При передаче, как телефонного сигнала, так и сигналов ве­щания полоса частот ограничивается. Для достаточно высокого качества (каналы вещания первого класса) эффективная полоса частот должна со­ставлять 0,05...10 кГц, для безукоризненного воспроизведения программ (каналы высшего класса) 0,03...15 кГц.

Факсимильный сигнал формируется методом построчный развертки. Час­тотный спектр первичного факсимильного сигнала определяется характером передаваемого изображения, скоростью развертки и размерами сканирующего пятна. Для параметров факсимильных аппаратов, рекомендованных МСЭ-Т, верхняя частота сигнала может составлять 732, 1100 и 1465 Гц. Динамический диапазон сигнала составляет около 25 дБ, пик-фактор равен 4,5 дБ при 16 гра­дациях яркости.

Телевизионный сигнал также формируется методом развертки. Анализ по­казывает, что энергетический спектр телевизионного сигнала сосредоточен в полосе частот 0...6 МГц. Динамический диапазон D_С » 40 дБ, пик-фактор 4,8 дБ.

Основным параметром дискретного сигнала с точки зрения его передачи является требуемая скорость передачи (бит/с).

Аналогичные параметры определяются и для каналов связи. Параметры каналов связи должны быть не меньше соответствующих параметров сигналов.

Свести параметры аналоговых сигналов к единому параметру (скорости передачи) позволяет преобразование этих сигналов в цифровые.

Рис. 3.5. Обобщенная структурная схема систем электросвязи

Обобщенная структурная схема систем электросвязи

Система электросвязи — совокупность технических средств и среды рас­пространения, обеспечивающая передачу сообщений. Обобщенная структурная схема систем электросвязи показана на рис. 3.5.

Сообщение при помощи преобразователя сообщение-сиг­нал преобра­зу­ется в первичный электрический сигнал. Первичные сигналы не всегда удобно (а иногда невозможно) непосредственно передавать по линии связи. Поэтому первичные сигналы при помощи передатчика ПРД преобразу­ются в так назы­ваемые вторичные сигналы, характеристики которых хорошо согласуются с характеристиками линии связи.

Канал связи — совокупность технических устройств (преобразователей) и среды распространения, обеспечивающих передачу сигналов на расстояние.

Каналы и системы связи, использующие искусственную среду распро­странения (металлические провода, оптическое волокно), называются провод­ными, а каналы и системы связи, в которых сигналы передаются через открытое пространство — радиоканалами и радиосистемами.

Рис. 3.6. Современные виды электросвязи

Современные виды электросвязи

Условная классификация современных видов электросвязи показана на рис. 3.6. Все виды электросвязи по типу передаваемых сообщений могут быть разделены на предназначенные для передачи звуковых сообщений, оптиче­ских сообщений в виде подвижных изображений, оптических сообщений в виде неподвижных изображений и сообщений междуЭВМ.

В зависимости от назначения сообщений виды электросвязи могут быть разделены на предназначенные для передачи сообщений индивидуального и массового характера.

Приведенная на рис. 3.6 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.

Основные определения

Сеть связи — совокупность технических средств, обеспечивающих пере­дачу и распределение сообщений. Принципы построения сетей связи зависят от вида передаваемых и распределяемых сообщений.

Рис. 4.1. Структура сети «каждый с каждым»

Рис. 4.2. Структура сети «звезда»

В настоящее время применяют следующие принципы построения (струк­туры) сетей:

· «каждый с каждым» (рис. 4.1). Сеть надежна, отличается оперативно­стью и высоким качеством передачи сообщений. На практике применя­ется при небольшом числе абонентов;

· радиальный («звезда») (рис. 4.2). Используется при ограниченном числе абонентских пунктов, расположенных на небольшой территории;

· радиально-узловой (рис. 4.3). Такую структуру имеют городские телефон­ные сети, если ёмкость сети не превышает 80...90 тысяч абонен­тов;

· радиально-узловой с узловыми районами (рис. 4.4). Используется при по­строении телефонных сетей крупных городов.

Телеграфные сети строятся по радиально-узловому принципу с учётом административно-территориального деления страны. Оконечными пунктами телеграфной сети являются либо отделения связи, либо телеграфные абоненты, обладающие телеграфной аппаратурой. Сеть имеет три уровня узловых пунк­тов: районные, областные и главные. Сеть передачи данных имеет схожую структуру. Сеть факсимильной связи строится на базе телефонной сети.

Рис. 4.3. Радиально-узловая структура сети

Сети передачи индивидуальных сообщений

Для обеспечения передачи индивидуальных сообщений необходимо свя­зать (соединить) оконечные аппараты абонентов. Электрическая цепь (канал), состоящая из нескольких участков и обеспечивающая передачу сигналов между абонентами, называется соединительным трактом.

Процесс поиска и соединения электрических цепей называется коммута­цией каналов. Сеть, обеспечивающая коммутацию каналов, называется сетью с коммутацией каналов (СКК, рис. 4.5). Узловые станции сети СКК называются стан­циями коммутации.

При передаче документальных сообщений кроме организации связи с коммутацией каналов возможно осуществлять поэтапную передачу сообщения от узла к узлу. Такой способ передачи получил название коммутации сообще­ний. Соответственно сеть, обеспечивающая коммутацию сообщений, называ­ется сетью с коммутацией сообщений (СКС).

Рис. 4.4. Радиально-узловая сеть с узловыми районами

Разновидностью сети СКС является сеть с коммутацией пакетов (СКП). В этом случае полученное от передающего абонента сообщение разбивается на блоки (пакеты) фиксированной длины. Пакеты передаются по сети (необяза­тельно по одному и тому же маршруту) и объединяются в сообщение перед вы­дачей принимающему абоненту.

Узловые станции сетей СКС и СКП называются центрами коммутации сообщений (ЦКС) и пакетов (ЦКП) соответственно.

Рис. 4.5. Коммутация каналов, сообщений и пакетов