Лекция 2. Кодирование и модуляция. Помехи и искажения
Некоммерческое акционерное общество
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра радиотехники
ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
Конспект лекций
(для студентов всех форм обучения специальности
5B071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации)
Алматы 2012
Сводный план 2011 г., поз. №349
Составители: Т.А.Павлова, Б.Р.Накисбекова. Теория электрической связи. Конспект лекций (для студентов всех форм обучения специальности 5В071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации). – Алматы: АУЭС, 2011.- 84 с.
Данная разработка предназначена для студентов всех форм обучения специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации.
В конспекте лекций рассматриваются описания систем связи, основные характеристики электрических сигналов, каналов связи и используемой аппаратуры, а также теоретические основы теории связи, в полной мере охватываются все вопросы, которые должен знать студент после изучения технологий электрической связи.
Ил.57, библиогр. - 20 назв.
Рецензент: канд. техн. наук, профессор Медеуов У.И.
Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинскй университет энергетики и связи» на 2011 г.
Ó НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2012г.
Введение
Настоящий конспект лекций предназначен для студентов всех форм обучения специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации, обучающихся по курсу «Теория электрической связи».
|
|
|
Излагаются основные закономерности и методы передачи сообщений по каналам связи. Рассматриваются способы математического представления сообщений, сигналов и помех, методы формирования и преобразования сигналов в системах (каналах) электрической связи, вопросы помехоустойчивости и пропускной способности систем электросвязи, методы экономного и помехоустойчивого кодирования, оптимального приема сообщений, принципы многоканальной передачи, основы цифровой обработки сигналов.
Лекция 1. Общие сведения о системах электросвязи
Содержание лекции:
- понятия: информация, сообщения, сигналы. Системы, каналы и сети связи. Основные характеристики системы связи.Структурная схема простейшей одноканальной системы связи.
Цель лекции:
- выработка критериев классификации, а также установление определенной терминологии.
Под информацией понимают совокупность сведений, данных о каких-либо событиях, явлениях или предметах. В отличие от материального и энергетического ресурсов, информационный ресурс не уменьшается при потреблении, накапливается со временем, сравнительно легко и просто с помощью технических средств обрабатывается, хранится и передаётся на значительные расстояния.
|
|
|
Для передачи или хранения информации используют различные знаки (символы), позволяющие выразить (представить) её в некоторой форме. Совокупность знаков, отображающих ту или иную информацию, называют сообщением.
Передача сообщений (а, следовательно, и информации) на расстояние осуществляется с помощью какого-либо материального носителя (бумаги, магнитной ленты и т.д.) или физического процесса (звуковых или электромагнитных волн, тока и т.д.). Физический процесс, отображающий (несущий) передаваемое сообщение, называется сигналом. Сигналы формируются путём изменения тех или иных параметров физического носителя в соответствии с передаваемым сообщением. Этот процесс (изменения параметров носителя) принято называть модуляцией.
Сигнал передаёт (развёртывает) сообщение во времени. Следовательно, он всегда является функцией времени, даже если сообщение (например, неподвижное изображение) таковым не является. Если сигнал представляет собой функцию x ( f ), принимающую только определённые дискретные значения х (например, 1 и 0), то его называют дискретным или дискретным по уровню (амплитуде). Точно так же и сообщение, принимающее только некоторые определённые уровни, называют дискретным, Если же сигнал (или сообщение) может принимать любые уровни в некотором интервале, то они называются непрерывными или аналоговыми.
|
|
|
В некоторых случаях сообщениеили сигнал задают не на всей оси времени, а в определённые моменты t . Такие сообщения (сигналы) называют дискретными по времени в отличие от непрерывных по времени, заданных на всей оси t. 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 рисунке 1.1 наглядно проиллюстрированы различные виды сигналов: а) непрерывный сигнал; б) дискретный по времени сигнал; в) сигнал, квантованный по уровню; г) цифровой сигнал. Сигнал с конечным числом дискретных уровней часто называют цифровым, поскольку уровни можно пронумеровать числами с конечным числом разрядов.
Сообщение с помощью специальных устройств (датчиков) обычно преобразуется в электрическую величину b ( f ) — первичный сигнал. При передаче речи такое преобразование выполняет микрофон, при передаче изображения — телевизионная камера. В большинстве случаев первичный сигнал является низкочастотным колебанием, которое отображает передаваемое сообщение.
|
|
|
В некоторых случаях первичный сигнал непосредственно передают по линии. Так поступают, например, при обычной городской телефонной связи. Для передачи на большие расстояния (по кабелю или радиоканалу) первичный сигнал преобразуют в высокочастотный.
Рисунок 1.1 - Виды сигналов
Рисунок 1.2 - Импульсные сигналы
Импульсными сигналами являются сигналы, отличные от нуля в течение ограниченного времени. Эти сигналы существуют лишь в пределах конечного отрезка ( tl , t 2 ). При этом различают видеоимпульсы (см. рисунок 1.2 а) и радиоимпульсы (см. рисунок 1.2 б). Если Uв(t)—видеоимпульс, то соответствующий ему радиоимпульс Uр(t) = Uв(t) cоs(wt+jo) (частота w и начальная фаза jo могут быть произвольными). В радиоимпульсе uB ( t ) называется огибающей, а функция cos(wt+jo) —заполнением. Параметрами видеоимпульса принято считать его амплитуду Um , длительность t и , длительность фронта t ф , длиmельность спада tc . Происхождение терминa «видеоимпульс» связано с тем, что впервые такие импульсы начали применять для описания сигналов в телевидении.
Если бы передаваемое сообщение было детерминированным, т.е. заранее известным с полной достоверностью, то передача его не имела бы смысла. Такое детерминированное сообщение не содержит информации. Поэтому сообщения следует рассматривать как случайные события (или случайные величины, случайные функции). Детерминированный сигнал не может быть носителем информации. Его можно использовать лишь для испытаний системы связи или отдельных её элементов.
Рисунок 1.3 - Временная диаграмма тока через микрофон
Параметрами сигнала являются: длительность Т, его динамический диапазон D и ширина спектра F . Всякий сигнал, рассматриваемый как временной процесс, имеет начало и конец. Поэтому длительность сигнала Т является естественным его параметром, определяющим интервал времени, в пределах которого сигнал существует.
Динамический диапазон - это отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к той наименьшей мощности, которую необходимо отличать от нуля при заданном качестве передачи. Он выражается обычно в децибелах. Динамический диапазон речи диктора, например, равен 25...30 дБ, небольшого вокального ансамбля 45...65 дБ, симфонического оркестра 70...95 дБ. Во избежание перегрузок канала в радиовещании динамический диапазон часто сокращают до 35...45 дБ.
Ширина спектра сигнала F – интервал частот, в пределах которого сосредоточены основные спектральные составляющие сигнала. Ширина спектра различных сигналов неодинакова. Так, речевой сигнал, передаваемый по телефонным каналам, занимает спектр 300 – 3400 Гц, музыкальный – спектр 20 – 16000 Гц, телеграфный 0 – 200 Гц, а телевизионный – 50 Гц – 6,5 МГц.
Введем более общую и наглядную характеристику – объем сигнала
Vc = Tc Fc Dc (1.1)
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.
На рисунке 1.4 изображена структурная схема простейшей одноканальной системы связи. Рассмотрим назначение отдельных элементов этой схемы. Источником сообщений и получателем в одних системах связи может быть человек, в других - различного рода устройства (автомат, вычислительная машина и т.д.). Устройство, преобразующее сообщение в сигнал, называют передающим, а устройство, преобразующее принятый сигнал в сообщение - приёмным. С помощью первичного преобразователя в передающем устройстве сообщение а, которое может иметь любую физическую природу (изображение, звуковое колебание и т.п.), преобразуется в первичный электрический сигнал b ( t ). В телефонии, например, эта операция сводится к превращению акустических колебаний в пропорционально изменяющееся электрическое напряжение на выходе микрофона. В передатчике первичный сигнал b ( t } (обычно низкочастотный) превращается во вторичный (высокочастотный) сигнал и( t ), пригодный для передачи по используемому каналу. Это осуществляется посредством модуляции.
Линией связи называется физическая среда и совокупность аппаратных средств, используемых для передачи сигналов от передатчика к приёмнику. В системах электрической связи — это, прежде всего кабель или волновод, в
Рисунок 1.4 - Структурная схема простейшей одноканальной системы связи
системах радиосвязи — область пространства, в котором распространяются электромагнитные волны от передатчика к приёмнику. При передаче канальный сигнал u ( t ) может искажаться, и на него могут накладываться помехи n ( t ). Приёмное устройство обрабатывает принятое колебание z ( t ) = s ( t ) + n ( t ),представляющее собой сумму пришедшего искажённого сигнала s ( t ) и помехи n ( t ), и восстанавливает по нему сообщение а, которое с некоторой погрешностью отображает переданное сообщение а. Совокупность технических средств для передачи сообщений от источника к потребителю называется системой связи. Этими средствами являются передающее устройство, линия связи и приёмное устройство. Внедрение высокоэффективных ЭВМ привело к необходимости быстрого развития систем передачи данных, обеспечивающих обмен информацией между вычислительными средствами и объектами автоматизированных систем управления.
Лекция 2. Кодирование и модуляция. Помехи и искажения
Содержание лекции:
- основные характеристики канала связи. Преобразование дискретного сообщения в сигнал. Аддитивные и мультипликативные помехи. Искажения.
Цель лекции:
- выработка критериев кодирования и модуляции, а также вычисление отклика физической системы на известное входное воздействие.
Каналом связи называется совокупность средств, обеспечивающих передачу сигнала. Канал связи можно характеризовать так же, как и сигнал, тремя параметрами: временем T к, в течение которого по каналу возможна передача, динамическим диапазоном D к и полосой пропускания канала F к. Под динамическим диапазоном канала понимают отношение допустимой мощности передаваемого сигнала к мощности неизбежно присутствующей в канале помехи, выраженное в децибелах.
Обобщённой характеристикой канала является его ёмкость (объём)
V к = T к F к D к. (2.1)
Необходимым условием неискаженной передачи по каналу сигналов с объемом V с, очевидно, должно быть
Vc < Vk. (2.2)
При этом условиях объём сигнала полностью "вписывается" в объем канала.
Система связи называется многоканальной, если она обеспечивает передачу нескольких сообщений по одной общей линии связи. Структурная схема простейшей многоканальной системы связи изображена на рисунке 1.3. Для разделения сигналов на приёмном конце, очевидно, необходимо, чтобы они различались между собой по некоторому признаку. В практике многоканальной связи преимущественно применяют частотный и временной способы разделения.
Рисунок 2.1 - Структурная схема простейшей многоканальной системы передачи
Преобразование дискретного сообщения в сигнал обычно осуществляется в виде двух операций — кодирования и модуляции. Кодирование представляет собой преобразование сообщения в последовательность кодовых символов, а модуляция — преобразование этих символов в сигналы, пригодные для передачи по каналу. С помощью кодирования и модуляции источник сообщений согласуется с каналом.
При кодировании происходит процесс преобразования элементов сообщения в соответствующие им числа (кодовые символы). Каждому элементу сообщения присваивается определённая совокупность кодовых символов, которая называется кодовой комбинацией. Совокупность кодовых комбинаций, отображающих дискретные сообщения, образует код. Правило кодирования может быть выражено кодовой таблицей, в которой приводятся алфавит кодируемых сообщений и соответствующие им кодовые комбинации. Множество возможных кодовых символов называется кодовым алфавитом, а их количество т — основанием кода. В общем случае при основании кода т правила кодирования К элементов сообщения сводятся к правилам записи К различных чисел в т-ичной системе счисления. Число разрядов п, образующих кодовую комбинацию, называется разрядностью кода или длиной кодовой комбинации. В зависимости от системы счисления, используемой при кодировании, различают двоичные и т-ичные (недвоичные) коды.
Декодирование состоит в восстановлении сообщения по принимаемым кодовым символам. Устройства, осуществляющие кодирование и декодирование, называют соответственно кодером и декодером. Как правило, это логические устройства. На рисунке 2.2 изображена структурная схема системы передачи дискретных сообщений, а на рисунке 2.3 поясняется процесс преобразования дискретного сообщения в сигнал.
В современных системах передачи дискретных сообщений принято различать две группы относительно самостоятельных устройств: кодеки и модемы. Кодеком называются устройства, преобразующие сообщение в код (кодер) и код в сообщение (декодер), а модемом — устройства, преобразующие код в сигнал (модулятор) и сигнал в код (демодулятор). Канальные устройства (полосовые усилители передатчика и приёмника, корректоры и т.п.) вместе с линией связи образуют непрерывный канал, а последний вместе с модемом – дискретный канал. Непрерывный канал обозначен на рисунке 1.4 и 2.1 блоком "линия связи".
Рисунок 2.2 - Структурная схема системы передачи дискретных
сообщений
Рисунок 2.3 - Процесс преобразования дискретного сообщения в сигнал и сигнала в дискретное сообщение
Общий принцип модуляции состоит в изменении одного или нескольких параметров несущего колебания (переносчика) f ( t , 
, ...) в соответствии с передаваемым сообщением. Так, если в качестве переносчика выбрано гармоническое колебание 
то можно образовать три вида модуляции: амплитудную (AM), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ).
Если переносчиком является периодическая последовательность импульсов 
, то при заданной форме импульсов v(/) можно образовать четыре основных вида импульсной модуляции: амплитудно-импульсную (АИМ), широтно-импульсную (ШИМ), время-импульсную (ВИМ, ФИМ) и частотно-импульсную (ЧИМ). Применение радиоимпульсов позволяет получить ещё два вида модуляции: по частоте и по фазе высокочастотного заполнения. Длительность посылки первичного сигнала b ц ( t ) при дискретной передаче определяет скорость передачи посылок (техническую скорость или скорость модуляции). Измеряется техническая скорость в Бодах. Один Бод - это скорость, при которой за 1 с передаётся одна посылка. Если длительность посылки Т выражена в секундах, то скорость модуляции v = 1/ Т в Бодах.
По характеру воздействия на сигнал различают аддитивные и мультипликативные помехи. Аддитивной является помеха, мгновенные значения которой складываются с мгновенными значениями сигнала. Мешающее воздействие аддитивной помехи определяется суммированием с полезным сигналом.
Мультипликативной называется помеха, мгновенные значения которой перемножаются с мгновенными значениями сигнала. Мешающее действие мультипликативных помех проявляется в виде изменения параметров полезного сигнала, в основном амплитуды. Мультипликативные помехи непосредственно связаны с процессом прохождения сигнала в среде распространения и поэтому ощущаются только при наличии сигнала в системе связи. Например : телефонная или радиотрансляционная линия с плохими контактами, интерференционные замирания сигнала при приеме на декаметровых волнах.
В реальных каналах электросвязи обычно имеет место не одна, а совокупность помех.
Рисунок 2.4 - Формы сигналов при двоичном коде для различных видов дискретной модуляции
Под искажениями понимают такие изменения формы сигнала, которые обусловлены известными свойствами цепей и устройств, по которым проходит сигнал. Главная причина искажений сигнала— переходные процессы в линии связи, цепях передатчика и приемника. При этом различают искажения: линейные, возникавшие в линейных цепях; нелинейные, возникающие в нелинейных цепях. В общем случае искажения отрицательно сказываются на качестве воспроизведения сообщений и не должны превышать установленных значений (норм). При известных характеристиках канала связи форму сигнала на его выходе всегда можно рассчитать. А дальше изменение формы сигнала можно скомпенсировать корректирующими цепями. Другое дело помехи — они заранее неизвестны поэму не могут быть устранены полностью.
Борьба с помехами — основная задача теории и техники связи. Любые теоретические и технические решения о выполнении кодера и декодера, передатчика и приемника системы связи должны приниматься с учетом того, что в линии связи имеются помехи.
При всем многообразии методов борьбы с помехами их можно свести к трем направлениям:
1) Подавление помех в месте их возникновения. Это достаточно эффективное и широко применяемое мероприятие, но не всегда приемлемо. Ведь существуют источники помех, на которые воздействовать нельзя (грозовые разряды, шумы Солнца и др.).
2)Уменьшение помех на путях их проникновения в приемник. Следует отметить, что помехи обычно воздействуют на сигнал в среде распространения. Поэтому как проводные, так и радиолинии строятся так, чтобы обеспечить заданный уровень помех.
3)Ослабление влияния помех на принимаемое сообщение в приемнике, демодуляторе, декодере. Именно это направление борьбы с помехами является предметом изучения в теории электросвязи.
Дата добавления: 2018-09-20; просмотров: 413; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!