Первичные сигналы электросвязи и их характеристики. - Основы техники связи

Электрический сигнал, получаемый на выходе преобразователя сообщения (см. рисунок 2.1, глава 2), называется первичным сигналом электросвязи. Параметр первичного сигнала:

Изменение величины, которого однозначно отображает передаваемое сообщение, называется представляющим или информационным параметром. Таким параметром, например, может быть амплитуда, частота или фаза гармонического электрического сигнала; амплитуда, длительность или фаза импульсов периодической последовательности; структура и разрядность кодовых комбинаций и др.

Первичный сигнал в структуре телекоммуникационных систем и сетей есть объект транспортировки, так как он должен быть передан по каналу от передатчика к приемнику. Телекоммуникационная система представляет технику транспортирования сигнала, а телекоммуникационные сети - специфическую транспортную сеть. Поэтому для установления соотношений между параметрами и характеристиками первичных сигналов и свойствами каналов передачи вводят такие параметры и характеристики первичных сигналов, которые легко измерить и по которым возможно определить условия их передачи с минимальными искажениями и максимально возможной защищенностью.

Первым таким параметром является длительность первичного сигнала Тс, определяющая интервал времени, в пределах которого сигнал существует.

Следующим параметром первичного сигнала является его уровень определяемый выражением:

Первичный сигнал характеризуется максимальным уровнем Nмакс, под которой понимается уровень эквивалентного синусоидального сигнала с амплитудой Uмакс, которая превышается мгновенными значениями переменной составляющей сигнала U(t) с определенной малой вероятностью. Для различных видов сигналов значение вероятности принимается равным 10-3, 10-4 и даже 10-5.

Максимальный уровень сигнала должен быть таким, чтобы при прохождении сигнала по каналу передачи не превышались допустимые значения, обеспечивающие неискаженную передачу сигналов для правильного воспроизведения передаваемого сообщения на приеме.

Минимальный уровень сигнала Nмин - это уровень эквивалентного синусоидального сигнала с амплитудой Uмин, которая превышается мгновенным значением переменной составляющей сигнала U(t) с определенной вероятностью, которая обычно равна 0,98.

Возможный разброс уровней первичного сигнала характеризуется динамическим диапазоном Dc, под которым понимается отношение вида:

Или.

Первичные сигналы электросвязи (непрерывные и дискретные) являются непериодическими функциями времени. Таким сигналам соответствует сплошной спектр, содержащий бесконечное число частотных составляющих. Однако всегда можно указать диапазон частот, в пределах которого сосредоточена основная энергия сигнала (не менее 90 %) и ширина которого равна

Где f мин - минимальная частота первичного сигнала; f макс - максимальная частота первичного сигнала.

Произведение трех физических параметров первичного сигнала: длительности Тс, динамического диапазона Dc и эффективно передаваемой полосы частот ?f называется объемом первичного сигнала

Еще одним важным параметром первичного сигнала является его пик-фактор. Под пик-фактором понимается разность между максимальным и усредненным за длительный промежуток времени уровнями:

Классификация первичных сигналов разнообразна, но наибольшее применение нашла классификация по виду передаваемых сигналов и по виду передаваемых сообщений. Классификация по виду сигналов охватывает аналоговые, дискретные и цифровые сигналы, узкополосные и широкополосные.

Если отношение граничных частот первичного сигнала

То такие сигналы называются узкополосными, а если

То такие сигналы называются широкополосными.

Классификация первичных сигналов по виду передаваемых сообщений охватывает телефонные (речевые) сигналы и сигналы звукового вещания, сигналы передачи данных и телеграфии, телевизионные и факсимильные сигналы, сигналы телемеханики, сигналы телеуправления и контроля, являющиеся частным случаем сигналов передачи данных.

Телефонные (речевые) сигналы. Для понимания сущности физических параметров речевых, а потом и телефонных сигналов, рассмотрим процесс речеобразования.

В образовании звуков речи принимают участие легкие, гортань с голосовыми связками, образующими голосовую щель, область носоглотки, язык, зубы и губы. В процессе произнесения речи человек вдыхает воздух и наполняет им легкие, которые через бронхи продувают воздух в гортань и далее через вибрирующие голосовые связки в полость рта и носа.

Голосовые связки, то, сжимая, то, открывая голосовую щель, пропускают воздух импульсами, частота следования которых называется основным тоном. Частота основного тона лежит в пределах от 50...80 Гц (очень низкий голос - бас) до 200...250 Гц (женские и детские голоса).

Импульсы основного тона содержат большое число гармоник (до 40), амплитуда которых убывает с увеличением частоты со скоростью приблизительно 12 дБ на октаву.

Импульсы воздуха встречают на своем пути систему резонаторов, образуемых объемами полости рта и носоглотки, положением языка, зубов и губ и изменяющихся в процессе произнесения различных звуков. Проходя через эту систему резонаторов, одни гармонические составляющие импульсной последовательности основного тона получают усиление, а другие - ослабление.

На рисунке З.8 показан спектр речи. Как видно из рисунка, некоторые частотные составляющие речи усилены, а другие ослаблены. Усиленные области спектра частот называются формантами. Звуки речи разных людей отличаются числом формант и их расположением в частотном спектре. Отдельные звуки могут иметь до шести формант, из которых только одна или две являются определяющими. Между формантами лежат менее мощные составляющие звуковых частот. Однако именно они придают голосу каждого человека индивидуальность, позволяющую узнавать говорящего.

Рисунок 3.8 - Спектр человеческой речи

Разборчивость передаваемой речи зависит от того, какая часть формант доходит до уха, слушающего без искажений и какая - исказилась или по тем или иным причинам не была услышана. Некоторые из формант никакого значения для распознавания звуков не имеют, хотя и несут в себе довольно значительную энергию. Спектральные исследования звуков русского языка отмечают наличие формант с условными максимумами на частотах 500 Гц (первая форманта), 1500 Гц (вторая форманта), 3500 Гц (третья форманта). Особенно важными являются первые две форманты, и исключение из передачи любой из них вызывает искажение передаваемого звука, превращая его в другой звук, либо вообще потерю им признаков человеческой речи. Первые три форманты звуков речи лежат в полосе частот от 300 до 3400 Гц, что и позволяет считать эту полосу частот вполне достаточной для обеспечения хорошей разборчивости передаваемой речи, сохранения естественности звучания и тембра голоса, узнаваемости говорящего.

Следовательно, эффективно передаваемая полоса частот телефонного сигнала может быть принята равной 0,3...3,4 кГц.

Динамический диапазон и пик-фактор будут равны соответственно

DT = 43 дБ (в практических расчетах принимают DT = 40 дБ)

П= 14 дБ.

Сигналы звукового вещания. Источниками первичных сигналов звукового вещания являются высококачественные микрофоны. Эти сигналы представляют чередование сигналов различного вида: речи (особо следует выделить речь дикторов), художественного чтения (сочетания речи и музыки), вокальных и инструментальных музыкальных произведений от сольного исполнения до симфонических оркестров.

Частотный спектр сигналов вещания занимает полосу частот от 15 до 20 000 Гц. Однако в зависимости от требований к качеству воспроизведения эффективно передаваемая полоса частот, отводимая для передачи сигналов вещания, может быть значительно ограничена. Для достаточно высокого качества воспроизведения сигналов звукового вещания она должна составлять 50... 10000 Гц. Для получения безукоризненного воспроизведения программ вещания полоса частот сигнала вещания должна составлять 30... 15 000 Гц.

Динамический диапазон сигнала вещания DB весьма широк, так как должны быть переданы сигналы минимального уровня (например, шорох листьев в тихую летнюю ночь) и максимального (например, рев моторов взлетающего лайнера), и достигает величины 100...110 дБ. Динамический диапазон речи диктора равен 25...35 дБ, художественного чтения - 40...50 дБ, небольших вокальных и инструментальных ансамблей - 45...55 дБ, симфонического оркестра - 60...65 дБ.

Для качественной передачи сигналов звукового вещания и их восприятия обходятся динамическим диапазоном

DB = 65 дБ.

Факсимильные сигналы. Обратите внимание на то, как вы читаете книгу. Ваши глаза скользят по строке слева направо, затем вы переходите к началу другой строки и т. д. до конца страницы. Словом вы "просматриваете" все элементы строки последовательно. Можно сказать, что при чтении книги происходит построчная развертка текстового изображения.

Именно по такому принципу "просматривается" изображение в современных факсимильных аппаратах, предназначенных для передачи на расстоянии различного рода неподвижных изображений (документов, чертежей, рисунков, фотографий). Для этого с помощью источника света и системы оптических линз формируют световое пятно так, чтобы освещать на передаваемом изображении площадку размером, скажем, 0,2x0,2 мм. Это световое пятно перемещается сначала вдоль одной строки, затем переходит на другую и движется по ней - и так до конца последней строки. Свет, отражаясь от каждой элементарной площадки, попадает на фотоэлемент и вызывает в его цепи ток (рисунок 3.9). Значение этого тока зависит от яркости отраженного света. Таким образом, при переходе светового пятна на изображении от одной элементарной площадки к другой ток в цепи фотоэлемента меняется пропорционально яркости площадок: мы получаем точную электрическую копию изображения.

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 0,2x0,2 мм) будет представлять собой либо черную, либо белую площадку, напоминая чередованием шахматную доску. 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 (рисунок 3.9).

Рисунок 3.9 - Преобразование изображения в электрический сигнал в факсимильном аппарате

При таком "шахматном" чередовании элементов изображения спектр факсимильного сигнала будет шире, чем для любого другого изображения, поскольку круче фронтов импульсов, чем у прямоугольных, не бывает.

Ширина спектра факсимильного сигнала зависит также от скорости развертки изображения и размеров светового пятна.

На стандартном листе бумаги формата А4 в строке помещается примерно 1000 черно-белых элементов изображения при ширине пятна 0,2 мм. Если в факсимильном аппарате скорость развертки составляет 60 строк/мин, т. е. каждая строка считывается за 1 с, то за эту секунду 500 раз будет осуществлен переход с черного на белое, или наоборот. Это означает, что максимальная частота чередования импульсов равна 500 Гц. При ширине светового пятна 0,1 мм в строке будет в 2 раза больше элементов изображения, и максимальная частота чередования импульсов повысится до 1000 Гц. Так как для сохранения хорошей степени "прямоугольности" импульсов нужно передавать кроме основной гармоники еще и несколько высших, то ширина спектра факсимильного сигнала может простираться до 1,5...3,0 кГц.

При увеличении скорости развертки изображения черные и белые площадки будут считываться чаще и, следовательно, спектр факсимильного сигнала будет шире. При передаче изображений с полутонами получается сигнал сложной формы, спектр которого является непрерывным.

Факсимильная связь широко используется для передачи в типографии газетных полос (т. е. их изображений). Для передачи газет используют специальные высокоскоростные факсимильные аппараты с шириной светового пятна 0,05 мм. Повышенная скорость развертки позволяет передавать одну газетную полосу за 2...3 минуты. Это приводит к расширению спектра факсимильного сигнала до 180 кГц.

Телевизионные сигналы. Любое подвижное изображение - это, как правило, смена через каждые 40 мс одного неподвижного, изображения другим (25 кадров в 1 с). За время между сменой кадров нужно успеть просмотреть все неподвижное изображение, которое содержит полмиллиона элементарных площадок или элементов изображения (625 строк по 833 элемента в строке). Значит, каждый элемент изображения придется рассматривать в течение одной полумиллионной доли от отведенных на весь кадр 40 мс. Это непостижимо короткий отрезок времени - всего две десятимиллиардных доли секунды! Ясно, что ни одно механическое устройство не способно перемещать световое пятно и фотоэлемент по строкам изображения с такой скоростью.

Вы никогда не задумывались над тем, что вы видите на экране телевизора, когда усаживаетесь перед ним в свободный вечер? Изображение? Нет, в действительности на экране никакого изображения нет, абсолютно никакого! Если бы мы сумели открыть глаза на какую-то ничтожную долю секунды (а речь идет о миллионных и даже миллиардных долях), то увидели бы на экране всего одну светящуюся точку. Это она бежит с невероятной скоростью по экрану, оставляя в нашем глазу след (мы видим то, чего уже нет, еще в течение 0,1 с), изменяющийся по яркости.

Что же заставляет светящуюся точку перемещаться с такой головокружительной быстротой? Электронный луч. Это он способен почти мгновенно отклоняться под действием изменяющегося магнитного поля и развертывать "картинки". Это его можно очень точно сфокусировать с помощью специальных электрических "линз".

Как бы ни отличались конструкции передающих телевизионных трубок разных лет, все они в чем-то имитируют глаз. Роль хрусталика выполняет объектив, роль зрачка - диафрагма. Имеется в трубке и своя "сетчатка" - пластинка, напоминающая пчелиные соты, в ячейках которых располагаются микроскопические фотоэлементы. Конечно, их намного меньше, чем фоторецепторов в глазу; всего около 0,5 млн. Изображение, которое нужно превратить в серию электрических импульсов, проектируется с помощью объектива на эту искусственную "сетчатку". Каждый микроскопический фотоэлемент получает свою порцию света и, если его подключить к внешней цепи, создаст ток, пропорциональный освещенности. Что касается электронного луча, то он как раз и подключает поочередно каждый из 500000 фотоэлементов к внешней цепи трубки, причем отводится ему на это всего 40 мс, пока не сменится кадр. Таким образом, на одном элементе изображения луч "задерживается" не более 80 миллиардных долей секунды (т. е. 80 нс). Величина тока во внешней цепи трубки отражает в каждый момент времени яркость соответствующего элемента изображения, спроектированного объективом на "сетчатку" передающей трубки, и является точной электронной копией передаваемого изображения.

Подсчитаем ширину спектра телевизионного сигнала. Пусть и на этот раз чередуются черные и белые площадки (элементы). Всего таких элементов будет:

625 строк х 833 элемента = 520 625.

В секунду меняется 25 кадров, т. е. 25 х 520 625 = 133 015 625 элементов.

Значит переход с черного на белое, или наоборот, происходит примерно 6500000 раз в 1 с. Максимальная частота повторения импульсов равна 6,5 мГц, что и принято за верхнюю границу ширины спектра телевизионного сигнала. Нижней границей считают 50 Гц. Таким образом, спектр телевизионного сигнала простирается от 50 Гц до 6,5 мГц. Здесь мы рассчитали спектр телевизионного сигнала, что называется, "на пальцах".

Телеграфные сигналы и сигналы передачи данных. Все рассматриваемые до сих пор сообщения и сигналы были непрерывными. Сообщения и сигналы телеграфии и передачи данных относятся к дискретным.

Устройства преобразования телеграфных сообщений и данных в электрический сигнал представляют каждый знак сообщения (букву, цифру) в виде определенной комбинации импульсов и пауз одинаковой длительности. Импульс соответствует наличию тока на выходе устройства преобразования (например, телеграфного аппарата), пауза - отсутствию тока.

В телеграфии таблица, которая ставит в соответствие буквам, цифрам и другим знакам комбинации импульсов и пауз, называется телеграфным кодом. Если обозначить импульс через 1, а паузу через 0 и воспользоваться международным телеграфным кодом МТК-2, то можно, например, знак А записать в виде 11000, знак В - в виде 10011 и т. д.

Для передачи данных используют более сложные коды, которые позволяют обнаруживать и исправлять ошибки в принятой комбинации импульсов, возникающие от действия помех.

Устройства преобразования сигналов телеграфии и передачи данных в сообщения по принятым комбинациям импульсов и пауз восстанавливают в соответствии с таблицей кода знаки сообщения (буквы, цифры и др.) и выдают их либо на печатающее устройство, либо на экран дисплея.

Заметим, что чем меньше длительность импульсов, отображающих сообщения, тем больше их будет передано в единицу времени. Величина, обратная длительности импульса, называется скоростью телеграфирования:

Где - длительность импульса, с.

В честь французского инженера Ж. Бодо единицу скорости телеграфирования назвали бодом. При длительности импульса

= 1 с скорость равна одному Боду.

В телеграфии используются импульсы длительностью 0,02 с, что соответствует стандартной скорости телеграфирования 50 Бод. Применяются и другие скорости телеграфирования (например, 75 Бод). Скорости передачи данных существенно выше. Существует аппаратура передачи данных со скоростями 200,600,1200 Бод и более.

При передаче двоичных сигналов (т. е. 0 и 1) нет необходимости восстанавливать в приемнике импульсы без искажений, т. е. сохранять их форму; для восстановления информации достаточно зафиксировать только знак импульса при двух полярном сигнале, либо наличие или отсутствие при однополярном сигнале. Расчеты показывают, что импульсы можно уверенно зафиксировать, если для их передачи используется ширина полосы частот, численно равная скорости передачи в бодах. Так, для стандартной скорости телеграфирования 50 Бод ширина спектра телеграфного сигнала составит 50 Гц. При скорости 2400 Бод (среднескоростная система передачи данных) ширина спектра сигнала равна примерно 2400 Гц.

Такая характеристика, как динамический диапазон, для сигналов передачи данных и телеграфии, как и для всех двоичных сигналов, не применяется, так как по самому определению для такого класса сигналов не имеет смысла.

Для удобства спектры основных сигналов электросвязи сведены в табл. 3.2. Даже беглый взгляд на табл. 3.2 позволяет понять, что для передачи разных видов сигналов требуется различная ширина полосы пропускания системы электросвязи.

Таблица 3.2. Ширина спектров сигналов электросвязи

Вид сигнала	Ширина спектра, Гц
Телеграфный	0...100
Передачи данных со скоростью 2 400 Бод	0...2400
Телефонный	300...3 400
Звукового вещания*	50... 10 000
Факсимильный при передаче газет	0...180 000
Телевизионный	50...6 500 000

Первичные сигналы электросвязи и их характеристики. - Основы техники связи

Похожие статьи