Информация, сообщение, электрические сигналы и их характеристики.
Лекция 1. Введение. Общие понятия о передаче информации на расстояние
История развития радиотехники и телекоммуникации.
На заре становления человеческого общества общение между людьми было весьма скудным. Воткнутая в землю ветка указывала, в каком направлении и накакое расстояние ушли люди; особо положенные камни предупреждали о появлении врагов; зарубки на палках или деревьях сообщал!/ об охотничьей добыче и пр. Существовала и примитивная передача сигналов на расстояние. Сообщения, закодированные в виде определенного числа выкриков либо ударов барабана с изменяющимся ритмом, содержали ту или иную информацию.
В десятом томе «Всеобщей истории» древнегреческого историкаПолибия (ок. 201-120 г. до н.э.) описан способ передачи сообщений на расстояние с помощью факелов (факельный телеграф), изобретенный александрийскими учеными Клеоксеном и Демоклитом.
В 1800 г. итальянский ученый А. Вольта создал первый химический источник тока. Это изобретение дало возможность немецкому ученому С. Земмерингу построить и представить в 1809 г. Мюнхенской академии наук проект электрохимического телеграфа. Телеграф Земмеринга имел много недостатков и не нашел практического применения. Понадобилось более 20 лет, чтобы появилась первая практически применимая система телеграфирования. Ее автор - выдающийся русский ученый П.Л. Шиллинг. В октябре 1832 г. состоялась первая публичная демонстрация электромагнитного телеграфа. В том же году с помощью телеграфа Шиллинга была налажена связь между Зимним дворцом и Министерством путей сообщения.
|
|
|
Подлинную революцию в деле электросвязи по проводам произвели русский академик Б.С. Якоби и американский ученый С. Морзе, предложившие независимо друг от друга пишущий телеграф. Заслугой С. Морзе является создание используемой до сих пор телеграфной азбуки, в которой буквы обозначались комбинацией точек и тире.
В 1841 г. Б.С. Якоби ввел в эксплуатацию линию, оборудованную пишущим телеграфом и соединявшую Зимний дворец с Главным штабом. Через два года аналогичная линия протяженностью 25 км была построена между Петербургом и Царским Селом. Первая действующая линия связи в США (Вашингтон - Балтимор, 63 км) начала действовать в 1844 г.
В 1850 г. Б.С. Якоби сконструировал первый буквопечатающий аппарат, который в 1874 г. был усовершенствован американцем Д. Юзом и французом Ж. Бодо.
В июне 1866 г. была осуществлена прокладка кабеля через Атлантический океан. Европа и Америка оказались связанными телеграфом. С 1866 г. телеграфные линии потянулись во все концы земного шара, связав между собой страны и континенты.
Рождение телеграфа дало толчок к появлению телефона. Начиная уже с 1837 г. многие изобретатели пытались передать на расстояние человеческую речь с помощью электричества. Почти через 40 лет эти опыты увенчались успехом. В 1876 г. американский изобретатель Александр Грэхем Белл запатентовал устройство для передачи речи по проводам -телефон. В 1878 г. русский ученый М. Махальский сконструировал первый чувствительный микрофон с угольным порошком, который в модернизированном виде применяется во всех современных телефонных аппаратах.
|
|
|
На первых порах для телефонной связи использовались телеграфные линии. Но для улучшения качества связи потребовалось строительство специальных двухпроводных телефонных линий. Такая линия была спроектирована в 1895 г. между Петербургом и Москвой профессором Петербургского электротехнического института П.Д. Войнаровским и построена в 1898 г.
Существенный вклад в усовершенствование телефона внес русский физик П.М. Голубицкий, который в 1886 г. разработал новую схему телефонной связи. Согласно этой схеме микрофоны абонентских телефонных аппаратов получали питание от одной (центральной) батареи, расположенной на телефонной станции. Эта система была внедрена во всем мире под названием системы ЦБ.
|
|
|
Уже в конце 19 столетия Земля оказалась опоясанной проводами и кабелями, соединяющими города и континенты. Однако проводная связь не могла удовлетворить быстрорастущие потребности промышленности, транспорта и особенно судоходства. В беспроволочной связи остро нуждались мореплаватели и военный флот.
Изобретение радио - заслуга талантливого русского ученого А.С. Попова. Первая публичная демонстрация устройства А.С. Попова для приема электромагнитных волн состоялась на заседании Русского физико-химического общества 7 мая 1895 г. Этот день и вошел в историю как день изобретения радио.
Попов продемонстрировал устройство, которое он назвал "грозоотметчиком". Данное устройство позволяло регистрировать электромагнитные волны. Многие специалисты считают грозоотметчик А.С. Попова первым в мире аппаратом беспроводной телеграфии. В 1897 году при помощи своих устройств А.С. Попов продемонстрировал обмен сообщениями между береговой службой и военным кораблем. Через два года А.С. Попов разработал приемник электромагнитных волн, где для получения сигналов, которые передавались азбукой Морзе, использовались головные телефоны.
Работы по использованию радиосвязи практически в то же время проводил итальянский изобретатель Гулиельмо Маркони. В 1896 году он подал патент "об улучшениях, произведенных в аппарате беспроводной телеграфии". Устройство, созданное Г. Маркони, во многом повторяло идеи А.С. Попова, уже опубликованные в научной литературе. Несомненна заслуга в развитии системы беспроводного телеграфа через Атлантический океан. Первые работы в этом направлении дали результат уже в 1901 году.
|
|
|
Сотрудники созданной в 1918 г. Нижнегородской лаборатории (ее возглавил М.А. Бонч-Бруевич) уже в 1922 г. построили в Москве первую в мире радиовещательную станцию мощностью 12 кВт, а 17 сентября 1922 г. состоялась первая передача радиоцентра. К 1924 г. радиовещательные станции появились в Ленинграде, Горьком.
В 1935 г. между Нью-Йорком и Филадельфией вступила в строй радиолиния на ультракоротких волнах. Она имела протяженность 150 км. Чтобы перекрыть это расстояние, через 50 и 100 км были построены две промежуточные «релейные» станции, которые принимали ослабленные радиоволны, «заменяли» их новыми и посылали дальше. Сама радиолиния была названа «радиорелейной линией».
Отныне во все концы земного шара протянулись цепочки радиорелейных линий.
«Бип...бип...бип». Эти сигналы услышал 4 октября 1957 г. весь мир. Наступила эра освоения космоса. Совсем небольшой срок отделяет нас от этой даты, а на космические орбиты уже запущены тысячи искусственных спутников, исправно служащих человеку.
В 1947 г. появилось первое упоминание о разработанной фирмой «Белл» системе с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) – способ кодирования аналогового сигнала (например речи) для передачи его в форме цифрового потока (в телефонии с полосой 64 Кбит/с). Система оказалась громоздкой и неработоспособной. И только в 1962 г. была внедрена в эксплуатацию первая коммерческая система передачи ИКМ-24.23 апреля 1965 г. в СССР был запущен искусственный спутник Земли «Молния-1», на борту которого находилась приемопередающая ретрансляционная станция.
В 1960 г. в Америке был создан первый в мире лазер. Это стало возможным после появления работ советских ученых В.А. Фабриканта, Н.Г. Басова и A.M. Прохорова и американского ученого Ч. Таунса, получивших Нобелевскую премию.
«Обучать» лазеры передаче на расстояние информации стали вскоре после их изобретения. Первые лазерные линии связи появились в начале 60-х годов этого столетия.
В 1970 г. в американской фирме «CorningGlassCompany» было получено сверхчистое стекло. Это дало возможность создать и внедрить повсеместно оптические кабели связи.
Современные тенденции развития электросвязи.
В последующие годы связь развивалась по пути цифровизации всех видов информации. Это стало генеральным направлением, обеспечивающим экономичные методы не только ее передачи, но и распределения, хранения и обработки. Вслед за ИКМ-24 появляются ИКМ-30, ИКМ-120, ИКМ-480, ИКМ-1920, а затем системы передачи синхронной цифровой иерархии (СЦИ).
Интенсивное развитие цифровых систем передачи объясняется существенными достоинствами этих систем по сравнению с аналоговыми системами передачи: высокой помехоустойчивостью; слабой зависимостью качества передачи от длины линии связи; стабильностью электрических параметров каналов связи; эффективностью использования пропускной способности при передаче дискретных сообщений и др.
Из года в год растет телефонная плотность (число телефонов на сто жителей). На смену телеграфной связи пришли такие виды документальной электросвязи, как передача данных, электронная почта, факсимильная связь.
Успешно развивается Интернет.
Одновременно с ростом числа услуг связи меняется их качество - от простого телефонного сервиса до услуг мультимедиа, которые обеспечиваются интегральными цифровыми сетями связи.
Особенно быстрыми темпами в мире идет развитие сети мобильной радиосвязи. По числу абонентов системы мобильной связи уже можно судить об уровне и качестве жизни в данной стране.
Человечество движется по пути создания Глобального информационного общества. Его основой станет Глобальная информационная инфраструктура, составляющей которой будут мощные транспортные сети связи и распределенные сети доступа, предоставляющие информацию пользователям. Глобализация связи и ее персонализация (доведение услуг связи до каждого пользователя) - вот две взаимосвязанные проблемы, успешно решаемые на данном этапе развития человечества специалистами электросвязи.
Большинство специалистов сходятся во мнении, что дальнейшая эволюция телекоммуникационных технологий будет идти в направлениях увеличения скорости передачи информации, интеллектуализации сетей и обеспечения мобильности пользователей.
Высокие скорости. Необходимы для передачи изображений, в том числе телевизионных, интеграции различных видов информации в мультимедийных приложениях, организации связи локальных, городских и территориальных сетей.
Интеллектуальность. Позволит увеличить гибкость и надежность сети, сделает более легким управление глобальными сетями. Благодаря интеллектуализации сетей пользователь перестает быть пассивным потребителем услуг, превращаясь в активного клиента - клиента, который сможет сам активно управлять сетью, заказывая необходимые ему услуги.
Мобильность. Успехи в области миниатюризации электронных устройств, снижение их стоимости создают предпосылки к глобальному распространению мобильных оконечных устройств. Это делает реальной задачу предоставления услуг связи каждому в любое время и в любом месте.
В заключение отметим, что объем информации, передаваемой через информационно-телекоммуникационную инфраструктуру мира, удваивается каждые 2-3 года. Появляются и успешно развиваются новые отрасли информационной индустрии, существенно возрастает информационная составляющая экономической активности субъектов рынка и влияние информационных технологий на научно-технический, интеллектуальный потенциал и здоровье наций. Начало XXI века рассматривается как эра информационного общества, требующего для своего эффективного развития создания глобальной информационно-телекоммуникационной инфраструктуры, темпы развития которой должны быть опережающими по отношению к темпам развития экономики в целом.
Информация, сообщение, электрические сигналы и их характеристики.
Понятия «информация» (от лат. informatio - разъяснение, изложение) и «сообщение» в настоящее время неразрывно связаны между собой. Эти близкие по смыслу понятия сложны, и дать их точное определение через более простые нелегко.
Информация - это совокупность сведений или данных о каких-либо событиях, явлениях или предметах, то есть это совокупность знаний об окружающем нас мире.
Передача и хранение информации осуществляется с помощью различных знаков (символов), которые позволяют представить её в некоторой форме.
Сообщение это совокупность знаков, отображающих ту или иную информацию. Передача сообщений (а, следовательно, и информации) на расстояние осуществляется с помощью какого-либо материального носителя, например, бумаги или магнитной ленты или физического процесса, например, звуковых или электромагнитных волн, тока и т.д.
Сигнал - это физический процесс, отображающий (несущий) передаваемое сообщение. В качестве сигналов в настоящее время в основном используются электрические и оптические сигналы. Сигнал передаёт (развёртывает) сообщение во времени, то есть всегда является функцией времени. Сигналы формируются путём изменения тех или иных параметров физического носителя в соответствии с передаваемым сообщением.
Сообщения могут быть функциями времени, например речь при передаче телефонных разговоров, температура или давление при передаче телеметрических данных, спектакль при передаче по телевидению и т.п. В других случаях сообщение не является функцией времени (например, текст телеграммы, неподвижное изображение и т.д.).
Сигнал передаёт сообщение во времени. Следовательно, он всегда является функцией времени, даже если сообщение (например, неподвижное изображение) таковым не является.
Классификация сигналов
Рисунок 1– Классификация сигналов
Детерминированными являются сигналы, значения которых заранее известны, т. к. они повторяются через определенный интервал времени — период (например, гармоническое колебание или любой периодический сигнал).
Случайными являются сигналы, значение которых заранее неизвестно и может быть предсказано лишь с некоторой вероятностью.
Рисунок 2– Сигналы: а- детерминированный; б - случайный
Детерминированные сигналы могут быть периодическими и непериодическими. Периодическим называется сигнал, для которого выполняется условие s(t) = s(t + кT), где к - любое целое число, Т - период, являющийся конечным отрезком времени. Пример периодического сигнала - гармоническое колебание(Колебания, при которых изменения физических величин происходят по закону косинуса или синуса (гармоническому закону), наз. гармоническими колебаниями.)
Гармонические сигналы (или синусоидальные), описываются следующими формулами:
s(t) = A sin (2πfоt+f) = A sin (ωоt+f),
s(t) = A cos(ωоt+j),
где А, fo, ωo, f и j- постоянные величины,
А -амплитуда
fo- циклическая частота в герцах,
ωo = 2πfо - угловая частота (рад/с),
f и j-начальные фазовые углы в радианах.
Период одного колебания T = 1/fо = 2π/ωо
Рисунок 3 – Непрерывный гармонический сигнал и его характеристики
Непериодическийсигнал, как правило, ограничен во времени.
Простыми являются сигналы, которые описываются простой математической моделью (например, гармоническое колебание u(t)=Umsin (?t+?)).
Сложными являются сигналы, которые не могут быть описаны простой математической моделью.
Дискретными являются сигналы, которые могут принимать некоторые значения из определенных как по уровню так и/или по времени (рисунок 4).
а) дискретный по времени, б)) дискретный по уровню
Рисунок 4 – Временные диаграммы дискретных сигналов
Дискретный по времени сигнал это сигнал, заданный только в определённые моменты времени.
Дискретный илидискретный по уровню (амплитуде) сигнал это сигнал, принимающий по величине (амплитуде) только определённые дискретные значения.
Непрерывный или аналоговый сигнал это сигнал, который может принимать любые уровни значений в некотором интервале величин.
Непрерывный по времени сигнал это сигнал, заданный на всей оси времени.
Например, речь является сообщением непрерывным как по уровню, так и по времени, а датчик температуры, выдающий её значения через каждые 5 мин, служит источником сообщений, непрерывных по величине, но дискретных по времени.
На рис. 5 наглядно проиллюстрированы различные виды сигналов
а) непрерывный сигнал; б) дискретный по времени сигнал; в) сигнал, квантованный по уровню; г) цифровой сигнал
Рис. 5 – Виды сигналов
Цифровой сигнал это дискретный сигнал по уровню и времени, причём число дискретных значений уровней у него конечно. Так как в этом случае уровни дискретного сигнала можно пронумеровать числами с конечным числом разрядов, то такой дискретный сигнал и называется цифровым.
Полезный сигнал является объектом транспортировки (передачи), а техника связи - по существу техникой транспортирования сигналов по каналам связи. Поэтому целесообразно определить параметры сигнала, которые являются основными с точки зрения его передачи. Такими параметрами являются длительность сигнала Тс, его ширина спектра Fc и динамический диапазон Dc.
Длительность сигнала (Т) определяет интервал времени, в пределах которого сигнал существует, а так как любой сигнал рассматривается как временной процесс, то он имеет начало и конец. Длительность сигнала измеряется в секундах, миллисекундах (1 мс = 10-3 с), микросекундах (1 мкс = 10-6 с), наносекундах (1 нс = 10-9 с) и пикосекундах (1 пс = 10-12 с).
Ширина спектра сигнала (F) это диапазон частот, в пределах которого сосредоточена его основная энергия. Она определяет скорость изменения сигнала внутри интервала его существования. Спектр сигнала, в принципе, может быть неограниченным. Однако для любого сигнала можно указать диапазон частот, в пределах которого сосредоточена его основная энергия. Этим диапазоном и определяется ширина спектра сигнала.Спектр сигнала – это совокупность гармоник (гармонических составляющих) с конкретными значениями частот, амплитуд и начальных фаз, образующих в сумме сложный электрический сигнал. Более упрощенное понятие спектра – это полоса частот, занимаемая сигналом в канале связи.
В технике связи спектр передаваемого сигнала часто сознательно сокращают для экономии средств на аппаратуру линии связи. Возможную величину сокращения спектра сигнала при этом определяют исходя из допустимого искажения сигнала в данной системе связи. Например, при телефонной связи требуется, чтобы речь была настолько разборчива, чтобы абоненты могли узнать друг друга по голосу. Для этого достаточно передать речевой сигнал в полосе частот 300-3400 Гц. Передача более широкого спектра речи в этом случае нецелесообразна, так как ведёт к техническим усложнениям и увеличению затрат на канал связи.
Первичные сигналы электросвязи:
- телефонный речевой сигнал или сигнал ТЧ (тональной частоты), имеет спектр от 300 Гц до 3400 Гц; такой спектр достаточен для передачи речи по каналу связи и для принятия этого сигнала без искажений на приемной стороне;
- видеосигнал занимает полосу частот от 50Гц до 6,5 МГц (система SECAM) и от 50 Гц до 5,5 МГц (система PAL) – это самый широкополосный первичный сигнал;
- радиовещательный сигнал занимает полосу частот от 20 Гц до 20 кГц;
Динамический диапазон (D) это отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к той наименьшей мощности, которую необходимо отличать от нуля при заданном качестве передачи.
D=10lg(Pmax/Pmin), [ дБ ]
Динамический диапазон сигналов передачи программ звукового вещания: речь диктора - 25…35 дБ; музыкальные инструменты - 45…55 дБ; симфонический оркестр - до 65 дБ. Звук двигателей реактивного самолета на взлете - более 100 дБ.
С помощью приведённых выше параметров можно ввести общую и наглядную характеристику передаваемых по каналам связи сигналов - объём сигнала:
Vc = Tc·Fc·Dc
Объём сигнала (Vc) даёт общее представление о возможностях данного множества сигналов как переносчиков сообщений. Чем больше объём сигнала, тем больше информации можно «вложить» в этот объём и тем труднее передать такой сигнал по каналу связи с требуемым качеством.
Необходимым условием неискаженной передачи по каналу сигналов с объемом Vc, очевидно, должно быть Vc<Vк. При соблюдении этого условия объем сигнала полностью «вписывается» в объем канала.
Способы представления сигналов электросвязи представлены рисунком 6.
Рисунок 6 -Способы представления сигналов
Временная диаграмма представляет собой график зависимости какого либо параметра сигнала (например, напряжения или тока) от времени (рисунок 7). На временной диаграмме сигнала можно наблюдать форму сигнала. Временную диаграмму (осциллограмму) можно визуально наблюдать с помощью специального измерительного прибора — осциллографа.
Рисунок 7- Временные диаграммы сигналов
Векторная диаграмма используется при изучении процессов связанных с изменением фазы сигнала (например, при фазовой модуляции). В данной диаграмме сигнал представляется вектором, длина которого пропорциональна амплитуде сигнала, а угол наклона относительно исходного вектора показывает фазу сигнала (рисунок 8).
Рисунок 8-Векторная диаграмма сигнала
В геометрической диаграмме сигнал представляется в виде геометрического фигуры. Данная диаграмма может быть использована при визуальном представлении объема сигнала.
Математической моделью сигнала называется математическое выражение, по которому можно определить значения сигнала в любой момент времени.
Математические модели необходимы для изучения сигналов и моделировании электрических цепей.
Математическая модель может быть задана формулой (рисунок 9а) либо математическим условием (рисунок 9 б)
Рисунок 9 - Математические модели сигнала
Спектральной диаграммой сигналаназывается графическое изображение амплитуд гармоник в сигнале. Графическое представление спектра сигналов выполняют в виде набора вертикальных отрезков, начинающихся на оси абсцисс (на оси частот). При этом положение отрезка на оси абсцисс (от начала координат) отражает частоту соответствующей гармоники, а длина отрезка соответствует амплитуде этой гармоники.Гармонический сигнал имеет самый простой спектр (рисунок 10).Физический смысл спектра заключается в том, что он определяет совокупность гармонических составляющих (с заданными амплитудами и частотами), формирующих заданную форму сигнала во временной области.
Рисунок 10 - Спектр гармонического сигнала
Спектр периодических импульсных сигналовзависит от скважности импульсов.
Скважность – это отношение периода сигнала к длительности импульса, чем больше скважность, тем шире спектр сигнала:
Например:
1) при скважности g=4,спектр имеет вид, изображенный на рисунке 11.
Рисунок 11 – Спектр периодических сигналов при скважности g=4
f 1 – первая гармоника (основная) сигнала, f 1 = 1/T; f 2 – вторая гармоника сигнала f 2 = 2f 1; f 3 – третья гармоника и т. д. (Любой периодический сигнал неправильной формы можно представить как сумму правильных синусоид разной частоты и амплитуды.Все эти синусоиды и есть гармоники).
Спектр цифрового сигналасосредоточен вблизи основной (тактовой) частоты (рисунок 12). Знание спектра необходимо для расчета узлов канала связи.
Рисунок 12 – Спектр основного цифрового сигнала
Современные виды электросвязи. В настоящее время всестороннее развитие систем и средств связи — непременное условие роста экономики страны. Старейшие виды (почта и телеграф) были потеснены современными видами электрической связи. Переход на цифровые методы передачи информации явился настоящим прорывом в области связи. В повседневную жизнь вошли мобильные телефоны, пейджеры, Интернет, спутниковая космическая связь.
С точки зрения географии связь выполняет функции транспорта, но перемещает гораздо более транспортабельную, нематериальную продукцию — информацию. Это определяет очень высокую эффективность и доходность современной связи. По оценкам зарубежных специалистов, в высокоразвитых странах, благодаря экономии времени и материальных ресурсов на всех этапах производственного процесса, связь обеспечивает не менее 10% национального дохода. По размерам прибыли промышленные компании нередко уступают компаниям связи (особенно ее современных видов).В современном обществе увеличивается потребность людей в обмене информацией. В то же время человек все больше находится в движении, поэтому особое значение для него приобретает возможность звонить и принимать телефонные звонки из любого места в любое время. С этой точки зрения наиболее важным фактором становится мобильность (подвижность) связи.
Доминирующее положение на рынке подвижной радиосвязи занимают системы сотовой подвижной радиосвязи (CellularRadioSystems) и система персонального радиовызова (PagingSystems).
Интернет — обширная разветвленная сеть, представляющая собой великолепный инструмент обработки и сбора информации. Появившись совсем недавно (годом рождения Интернета считается 1983 г.), международная сеть получила широкое распространение почти во всех странах мира.
Спутниковая связь. Системы спутниковой связи предназначены обеспечивать высококачественным уровнем связи широкий спектр пользователей в любой точке земного шара.
К одним из самых распространенных систем спутниковой связи относятся Inmarsat и Globalstar, пользующиеся популярностью в странах с большой площадью территории и плохо развитой сетью сотовой связи: в Бразилии, Канаде, России, Австралии, Саудовской Аравии и др.
Единственный недостаток спутниковой связи — высокие цены на оборудование и предоставляемые услуги, мешающие более быстрому развитию данного вида связи.
По оценкам многих аналитиков, через 5—6 лет придет время гибридных технологий, и типичная ситуация, по крайней мере для развитых стран, будет выглядеть так: любой человек дома будет разговаривать по телефону через свою домашнюю базу, оплачивая разговоры по домашнему тарифу, с тем же самым телефоном он отправится на прогулку и будет разговаривать по сотовой сети, а решив провести выходные на яхте, без проблем с помощью того же телефона сможет разговаривать по спутниковой связи.
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 535; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!