Вредоносное ПО (malware) - это назойливые или опасные программы,...
Совокупность всех средств, служащих для передачи информации, будем называть системой передачи информации. Источник и потребитель информации являются абонентами этой системы. Абонентами могут быть ЭВМ, системы хранения информации, различного рода датчики и исполнительные устройства, а также люди. В составе структуры системы передачи информации можно выделить: канал передачи (канал связи), передатчик информации, приемник информации. Передатчик служит для преобразования поступающего от абонента сообщения в сигнал, передаваемый по каналу связи; приемник -для обратного преобразования сигнала в сообщение, поступающее абоненту.
Основными качественными показателями системы передачи информации являются: пропускная способность, достоверность, надежность работы.
Пропускная способность системы передачи информации - наибольшее теоретически достижимое количество информации, которое может быть передано по системе за единицу времени. Пропускная способность системы обусловливается скоростью преобразования информации в передатчике и приемнике и допустимой скоростью передачи информации по каналу связи, определяемой физическими свойствами канала связи и сигнала.
Достоверность передачи информации - передача информации без ее искажения. В идеальном случае при передаче должно быть однозначное соответствие между передаваемым и получаемым сообщениями. Однако под действием помех, возникающих в канале связи, в приемнике и передатчике, это соответствие может быть нарушено, и тогда говорят о недостоверной передаче информации.
Надежность капала связи - полное и правильное выполнение системой всех своих функций.
Каналы связи являются общим звеном любой системы передачи информации. По физической природе каналы связи делятся следующим образом:
- механические - используются для передачи материальных носителей информации;
- акустические - передают звуковой сигнал;
- оптические - передают световой сигнал;
- электрические - передают электрический сигнал.
Электрические каналы связи могут быть проводные и беспроводные (или радиоканалы).
По форме представления передаваемой информации каналы связи делятся на аналоговые и дискретные. По аналоговым каналам передается информация, представленная в непрерывной форме, т. е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины. По дискретным каналам передается информация, представленная в виде дискретных (цифровых, импульсных) сигналов той или иной физической природы. Скорость передачи цифровой информации по каналу связи измеряется в бодах. Один бод - это такая скорость, когда передается один бит в секунду (1 бод= 1 бит/с). Объем цифровой информации, передаваемой по каналу связи за определенный период времени, называют трафиком (от англ, traffic - «движение, транспорт, торговля»).
Связь может быть односторонней (симплексной ), с попеременной передачей информации в обоих направлениях (полудуплексной ) или одновременной в обоих направлениях {дуплексной). С помощью всего одной линии связи можно обеспечить реализацию сразу нескольких каналов связи. Такая связь называется многоканальной.
В системах административно-управленческой связи каналы связи по пропускной способности классифицируют на следующие виды:
- низкоскоростные, скорость передачи информации в которых от 50 до 200 бод; это дискретные (телеграфные) каналы связи, как коммутируемые (абонентский телеграф), так и некоммутируемые;
- среднескоростные, использующие аналоговые (телефонные) линии связи; скорость передачи в них от 300 до 9 600 бод, а в новых стандартах до 33 600 бод (стандарт V.34 бис);
- высокоскоростные (широкополосные), обеспечивающие скорость передачи информации выше 36 000 бод; по этим каналам связи можно передавать и дискретную, и аналоговую информацию.
Физической средой передачи информации в низкоскоростных и среднескоростных проводных каналах связи обычно являются группы либо параллельных проводов, либо скрученных, называемых витой парой (скручивание проводов уменьшает влияние внешних помех).
В широкополосных проводных каналах связи используются коаксиальные кабели, оптоволоконные кабели, радиоволноводы. К широкополосным относятся и беспроводные радиоканалы связи. Возможности широкополосных каналов связи огромны. Например, по одному каналу-радиоволноводу для миллиметровых волн можно одновременно организовать несколько тысяч телефонных каналов, несколько тысяч видеотелефонных и около тысячи телевизионных, при этом скорость передачи может составлять несколько миллионов бод. Не меньше возможности и у волоконно-оптических каналов.
По виду передаваемой информации (способу ее представления) выделяют следующие виды связи.
- Телефонная связь, обеспечивающая прием и передачу речевой информации.
- Видеотелефонная связь, при которой абоненты не только слышат, но и видят друг друга.
- Факсимильная связь - процесс дистанционной передачи неподвижных изображений и текста (дистанционное копирование документов). Иногда ее рассматривают как подвид видеотелефонной связи.
- Телеграфная связь, обеспечивающая обмен буквенно-печатной информацией.
- Телекодовая связь, представляющая собой передачу и прием закодированной информации, предназначенной для обработки на ЭВМ или иными цифровыми устройствами.
В зависимости от того, подвижны источники/получатели информации или нет, различают стационарную (фиксированную) и подвижную связь (мобильную связь с подвижными объектами).
В ряде случаев связь осуществляется через промежуточные рет-расляторы - приемо-передатчики, принимающие и передающие далее сигнал в нужном направлении, чаще всего усилив его. При этом говорят о спутниковой связи (связь с применением космического ретранслятора), радиорелейной связи (связь с применением наземного ретранслятора) и сотовой связи (связи с использованием сети наземных базовых станций).
Прежде всего, электронная связь осуществляется с помощью сетей электросвязи - технологических систем, обеспечивающих передачу информации. Единое централизованное управление взаимоувязанной сетью связи Российской Федерации осуществляется Министерством связи России. Последняя представляет собой систему технологически сопряженных сетей связи общего пользования и ведомственных сетей электросвязи. Абонентами сетей связи общего пользования могут быть любые юридические или физические лица. В отличие от них ведомственные сети электросвязи предназначены исключительно для удовлетворения информационных потребностей соответствующих ведомств. На территории Российской Федерации любыми юридическими или физическими лицами могут создаваться выделенные сети связи, не имеющие выхода на сеть связи общего пользования.
Для административно-управленческой связи большое значение имеет ее деление на системы передачи документированной и недокументированной информации. К электронным системам передачи документированной информации относят телеграфную и факсимильную связь. Основной электронной системой передачи не документированной информации является телефонная связь. В отдельный вид выделяют системы с документированием информации при приеме.
Рис. 7.1.
электронной связи
Отдельного внимания и с точки зрения организации, и с точки зрения использования заслуживают цифровые сети, особенно такой информационный монстр, как Интернет со своими многочисленными службами и услугами. Именно ему и применяемым при этом технологиям мы обязаны появлением самых современных систем связи. Эти технологии требуют постоянного совершенствования каналов связи, что не обходится без растущих затрат на их организацию. На рис. 7.1 показана относительная взаимосвязь различных современных систем организации связи с требованиями по пропускной способности каналов и затратами.
Любая система связи является системой передачи, в которой объектом передачи являются сообщения. Всякое сообщение есть совокупность сведений о состоянии какой-либо материальной системы, которые передаются человеком (устройством), наблюдающим эту систему, другому человеку (устройству), не имеющему возможности получить эти сведения путем непосредственных наблюдений. Материальная система вместе с наблюдателем представляет собой источник сообщений (корреспондент).
Источник выдает сообщения из некоторого множества возможных сообщений. Это множество может быть конечным (например, буквенный текст) или бесконечным (например, телефонное сообщение). Каждая буква, например, принадлежит конечному множеству, образующему алфавит, а каждое слово – конечному множеству, образующему словарь. Множество сообщений совместно с их вероятностями появления (априорными вероятностями) называется ансамблем сообщений.
С математической точки зрения всякое сообщения можно представить в виде некоторой функции времени m(t), которая может быть как непрерывной функцией непрерывного времени (например, при передаче речи), так и последовательностью чисел (слов, букв), т.е. функцией дискретного времени.
Чтобы сообщение могло быть передано получателю, необходимо воспользоваться каким-либо переносчиком. В качестве переносчика можно использовать любой физический процесс, например, электрический ток в проводе (проводная связь), электромагнитное поле (радиосвязь), звуковые волны, световой луч и т.д.
Изменяющаяся физическая величина S(t) , отображающая передаваемое сообщение m(t), называется сигналом. Очевидно, что каждому сообщению должен соответствовать свой сигнал, чтобы на приемной стороне по принятому сигналу можно было однозначно определить переданное сообщение.
Источник сообщений |
помехи |
Рис. 1.1. Блок-схема системы связи
следующих операций: преобразования неэлектрической величины в электрическую, кодирования и модуляции. Первая операция необходима при передаче любых сообщений - дискретных и непрерывных. Например, при передаче речи она состоит в преобразовании звукового давления в пропорционально изменяющийся электрический ток микрофона.
Дискретные сообщения представляют собой случайную последовательность некоторых элементов m1,m2,...mn. Эта
последовательность на передающей стороне может быть преобразована по определенному закону в другую последовательность
a1,a2,…,al ,более удобную с технической точки зрения.
Операция преобразования последовательности {mn} последовательность {al} называется кодированием и осуществляется кодирующим устройством. Способы и цели кодирования могут быть различными.
Чаще всего кодирование состоит в дополнительном расчленении каждого элемента последовательности. При передаче письменного текста, например, каждой букве соответствует некоторая новая последовательность символов ai , называемая кодовой комбинацией. Если кодовая комбинация содержит N символов, каждый из которых принимает одно из m возможных значений, то число возможных комбинаций будет равно M = mn Число m называется основанием, а n - знатностью кода. Если m = 2, то код называется двоичным. При передаче дискретных сообщений в телеграфии широко используется, например, пятизначный двоичный код (m=2, n=5). Этот кoд обеспечивает передачу сообщений с объемом алфавита M =25 =32 буквы. Каждая буква при этом передается последовательностью из пяти токовых или бестоковых посылок ("нулей" и "единиц"). Коды, в которых все кодовые комбинации содержат одинаковое число элементов, называются равномерными. Иногда используются и неравномерные коды, каковым является, например, код Морзе.
Выше говорилось о так называемом примитивном кодировании, целью которого является упрощение используемой аппаратуры. В последнее время начинает широко использоваться помехоустойчивое кодирование, целью которого является повышение надежности работы систем связи при наличии помех.
При передаче непрерывных сообщений операция кодирования часто отсутствует. Однако в последнее время начинают применяться различные виды импульсной модуляции. При этом в качестве первичного переносчика используется периодическая последовательность импульсов. В этом случае оказываются возможными дискретные способы передачи и кодирования непрерывных сообщений.
Операции кодирования обычно осуществляются электрическими схемами. Различным последовательностям кодовых символов будут соответствовать последовательности элементов первичных электрических сигналов U(t) , которые называют немодулированными или видеосигналами.
Процесс преобразования сообщений в сигналы S(t)заканчивается модуляцией некоторого переносчика. Модуляция заключается в изменении какого-либо параметра переносчика f =f(a,b,...,t). Модулированный параметр (a) получает приращение, пропорциональное модулирующему сигналу:
где Δa - максимальное абсолютное приращение модулируемого параметра, а величина
представляет собой относительное изменение этого параметра и называется коэффициентом модуляции. При передаче дискретных сообщений модулируемый параметр принимает одно из нескольких возможных дискретных значений. В этом случае вместо термина "модуляция" часто используется термин "манипуляция". Число возможных видов модуляции равно числу параметров переносчика. Например, в случае синусоидального переносчика возможны амплитудная, фазовая и частотная виды модуляции.
Операцию формирования сигнала кратко можно представить в виде
где f - нелинейная операция, включающая в себя операции кодирования и модуляции.
Сформированный таким образом сигнал с выхода передатчика поступает в линию связи. Линией связи называется физическая среда, используемая для передачи сигналов от передатчика к приемнику. Этой средой может быть физическая цепь (пара проводов, кабель в проводной связи) или область пространства, в котором распространяются электромагнитные волны (радио -связь в любом диапазоне частот, в том числе и оптическом).
В реальных линиях связи всегда присутствуют помехи различного происхождения. Взаимодействие сигнала и помехи можно представить в виде некоторой линейной или нелинейной операции
Ha вход приемника поступает искаженный помехой сигнал x(t), по которому необходимо определить переданное сообщение. Следовательно, приемник должен осуществить операции, обратные операциям на передающей стороне: демодуляцию и декодирование. Демодуляцию принятого сигнала осуществляет демодулятор, который обрабатывает принятые сигналы по определенным правилам и производит опознавание переданных элементов сигнала (кодовых символов). Декодирующее устройство преобразует кодовые комбинации в элементы сообщения. В целом действие системы связи можно описать выражением:
y =W (x) = W {V [ξ,F(m,f)]}, (1.1.3)
где W - нелинейный оператор, включающий в себя операции демодуляции и декодирования.
Очевидно, что в идеальном случае принятое сообщение должно точно соответствовать переданному, т.е. У(t)=m(t) . Однако наличие помех в линии связи вызывает принципиальную неоднозначность при восстановлении сообщения на приемной стороне. Поэтому всегда y(t)≈m(t).
Введем еще некоторые определения. Совокупность технических средств, предназначенных для передачи сообщения от источника к получателю, называется каналом связи. В него входят передатчик, линия связи и приемник. Любой канал характеризуется тремя основными параметрами:
а) полосой частот которую может пропустить канал,
б) временем Т, в течение которого канал предоставлен
для работы,
в) допустимым диапазоном уровней сигнала в канале (динамический диапазон).
Канал связи вместе с источником и получателем сообщений образует систему связи . Системы связи друг от друга могут отличаться типом передаваемых сообщений, методами преобразования сообщений в сигналы и восстановления сообщений по принятым сигналам, физической средой, используемой в качестве линии связи, и т.д.
По типу передаваемых сообщений системы связи могут быть непрерывными и дискретными. Телеграфные системы связи являются типичным примером дискретных систем. Системы телефонии, радиотелефонии, телевидения при аналоговых (непрерывных) способах модуляции относятся к непрерывным системам связи. В последнее время для передачи непрерывных сообщений используются системы с различными видами импульсной модуляции. Такие системы можно отнести к типу смешанных систем.
В дискретных системах связи при демодуляции и декодировании сигналов необходимо знание длительности, начала и конца каждого элемента комбинации и всей комбинации в целом, т.е. необходима синфазность работы передающего и приемного устройств. По способу поддержания синфазности дискретные системы связи можно разделить на синхронные и асинхронные. В синхронных системах связи передатчик и приемник работают синхронно, для чего используется специальный канал синхронизации. Примером синхронных систем являются телеграфные системы связи, использующие пятизначный двоичный код Бодо. Примером асинхронных систем связи являются стартстопные системы, в которых фазирование работы приемника и передатчика осуществляется специальными дополнительными элементами в начале (стартовый) и в конце (стоповый) каждой кодовой комбинации.
Если по системе связи передается несколько сообщений от различных источников, то она называется многоканальной .
Если по каналу связи сигналы могут передаваться только в одном направлении, то канал называется симплексным. Если же сигналы могут одновременно передаваться в обоих направлениях, то канал называется дуплексным. Дуплексные системы связи по сути дела имеют два канала (прямой и обратный), в общем случае не идентичны. В некоторых случаях в таких системах передача сообщений осуществляется лишь в одном направлении, а обратный канал используется для контроля и защиты от ошибок при пе редаче сообщений в прямом направлении. Такие системы называются системами с обратной связью. Обратная связь позволяет значительно повысить надежность работы и используется в системах связи и автоматического управления. В последних сигнал обратного канала воздействует на некоторое устройство для подстройки его параметров.
§ 1.2. Характеристики сигналов связи
Как уже отмечалось выше, передаваемые сигналы однозначно связаны с передаваемыми сообщениями. Математическим описанием сигнала является некоторая функция времени S(t) . Сигналы связи можно классифицировать по нескольким признакам.
В теории сообщений сигналы в первую очередь принято делить на детерминированные (регулярные) и случайные. Сигнал называется детерминированным, если он может быть описан известной функцией времени. Следовательно, под детерминированным понимается такой сигнал, который соответствует известному передаваемому сообщению и который можно точно предсказать заранее за сколь угодно большой промежуток времени. Детерминированные сигналы принято подразделять на периодические, почти периодические и непериодические.
В реальных условиях сигнал в месте приема заранее неизвестен и не может быть описан определенной функцией времени. Принимаемые сигналы имеют непредсказуемый, случайный характер вследствие нескольких причин. Во-первых потому, что регулярный сигнал не может нести информации.. Действительно, если бы о передаваемом сигнале было известно все, то его незачем было бы передавать. Обычно на приемной стороне известны лишь некоторые параметры сигнала. Во-вторых, сигналы имеют случайный характер вследствие различного рода помех как внешних (космических, атмосферных, индустриальных и др.), так и внутренних (шумы ламп, сопротивлений и т.д.). Принимаемый сигнал искажается также вследствие прохождения через пинию связи, параметры которой часто являются случайной функцией времени.
Моделью сигнала связи является не одна функция времени S(t) , а набор некоторых функций, представляющих собой случайный процесс. Каждый конкретный сигнал является одной на реализаций случайного процесса, которую можно описать детерминированной функцией времени. Часто ансамбль возможных сообщений (сигналов) получателю известен. Задача состоит в том, чтобы по принятой реализации смеси сигнала 6 помехами определить, какое сообщение из заданного ансамбля было передано.
Таким образом, передаваемый сигнал необходимо рассматривать как множество функций, являющихся реализациями случайного процесса. Статистические характеристики этого процесса полностью описывают свойства сигнала. Однако решение многих конкретных задач становится в этом случае затруднительным. Поэтому изучение сигналов и их прохождение через различные цепи целесообразно начинать с отдельных реализаций как детерминированных функций.
Полное описание сигнала не всегда необходимо. Иногда для анализа бывает достаточно нескольких обобщенных характеристик, наиболее полно отражающих свойства сигнала. Одной из важнейших характеристик сигнала является его длительност ь
Т, которая определяет необходимое время работы канала и просто связана с количеством сведений, передаваемых этим сигналом. Второй характеристикой является ширина спектра сигнала F , которая характеризует поведение сигнала на протяжении его длительности, скорость его изменения. В качестве третьей характеристики можно было бы ввести такую, которая определяла бы амплитуду сигнала на протяжении его существования, например, мощность. Однако мощность сигнала P сама по себе не определяет условия его передачи по реальным каналам связи с помехами. Поэтому сигнал принято характеризовать отношением мощностей сигнала и помехи:
которое называют превышением сигнала над помехой или отношением сигнал/шум.
Часто используется также характеристика сигнала, называемая динамическим диапазоном ,
которая определяет интервал изменения уровней сигнала (например, громкости при передаче телефонных сообщений) и предъявляет соответствующие требования к линейности тракта. С этой же стороны сигнал можно охарактеризовать так называемым пикфактором
представляющим собой отношение максимального значения сигнала к действующему.
Чем больше пикфактор сигнала, тем хуже будут энергетические показатели радиотехнического устройства.
С точки зрения произведенных над сообщениями преобразований сигналы принято делить на видеосигналы (немодулированные) и радиосигналы (модулированные). Обычно спектр видеосигнала сосредоточен в низкочастотной области. При использовании модуляции видеосигнал называют модулирующим. Спектр радиосигнала сосредоточен около некоторой средней частоты в области высоких частот. Радиосигналы могут передаваться в виде электромагнитных волн.
В заключение параграфа коротко охарактеризуем сигналы, используемые при различных видах связи. На рис. 1.2 показан видеосигнал в виде непрерывной импульсной последовательности. Такой сигнал формируется при телеграфных видах работы с использованием пятизначного двоичного кода. Ширина полосы частот, используемая для передачи таких сигналов, зависит от скорости телеграфирования и равна, например, 150- 200 гц при использовании телеграфного аппарата СТ-35 и передаче 50 знаков в секунду. При передаче телефонных сообщений сигнал представляет
S(t) |
S(t) |
S(t) |
t |
t |
S(t) |
Рис. 1.2 - видеосигнал в виде непрерывной импульсной последовательности
Рис. 1.3 - передача неподвижных изображений с помощью фототелеграфа
собой непрерывную функцию времени, как это показано на рис. 1.26. В коммерческой телефонии сигнал обычно передается в полосе частот от ЗОО гц до 3400 гц. В вещании для качественной передачи речи и музыки требуется полоса частот примерно от 40 гц до 10 кгц. При передаче неподвижных изображений с помощью фототелеграфа сигнал имеет вид, показанный на рис.1.З. Он представляет собой ступенчатую функцию. Число возможных уровней равно числу передаваемых тонов и полутонов. Для передачи используют один или несколько стандартных телефонных каналов. При передаче подвижных изображений в телевидении с использованием 625 строк разложения требуется полоса частот от 50 гц до 6 мгц. Сигнал при этом имеет сложную дискретно - непрерывную структуру. Модулированные сигналы имеют вид, показанный на рис.1.3 б (при амплитудной модуляции).
§ 1.3. Задачи и методы теории передачи сигналов
Как уже отмечалось выше, объектом передачи в системах связи являются сообщения, которые значительно отличаются от других объектов передачи, например, электрической энергии в системах электропередачи. В последних основная задача заключается в передаче энергии потребителю с минимальными потерями. Передача сообщений также сопровождается передачей энергии, но не в передаче энергии состоит основное назначение системы связи. Энергетический коэффициент полезного действия систем связи (особенно радиосвязи) исчезающе мал. Очевидно, что для оценки эффективности систем связи нужны особые критерии. Одним из таких критериев может служить количество сведений, содержащихся в сообщении. Рассмотрим несколько примеров.
В телеграфных системах связи сообщения представляют собой некоторый текст. Мерой количества сведений в этом случае может служить количество слов или букв. При передаче телефонных сообщений количество сведений будет определяться не только количеством слов, но и интонацией, тембром речи, диапазоном громкости звука. Аналогично, в телевизионном сообщении количество сведений будет определяться степенью сложности изображения. Определить количество сведений в любом сообщении позволяет теория информации, которая составляет часть курса теории передачи сигналов. Одной из характеристик системы связи является максимально возможное количество сведений, передаваемых (или принимаемых) в единицу времени. Определенная таким образом величина называется пропускной способностью системы связи.
При наличии помех передаваемые сообщения искажаются. Большой уровень помех может привести к невозможности приема
переданного сообщения. С этой точки зрения к системам связи предъявляется требование верности передачи или степени соответствия принятого сигнала переданному. Последняя зависит, во-первых, от исправности аппаратуры, учет которой не является предметом изучения курса теории передачи сигналов, и во-вторых, от собственных свойств системы связи, определяемых способами передачи и приема сигналов. Способность системы связи противостоять вредному влиянию помех, обусловленная ее собственными свойствами, называется помехоустойчивостью системы связи. Помехоустойчивость систем связи является другой важнейшей характеристикой системы связи. В качестве количественной меры помехоустойчивости при передаче дискретных сообщений принято использовать вероятность ошибки, которая определяет относительное число неправильно принятых элементов сигнала. При передаче непрерывных сообщений помехоустойчивость оценивают величиной уклонения принятого сообщения от переданного. Величина уклонения определяется при этом по какому-либо критерию, например среднеквадратичному:
где волнистая черта сверху означает усреднение по времени.
Таким образом, основные требования, предъявляемые к системам связи, заключаются в повышении пропускной способности и помехоустойчивости. Эти требования противоречивы, так как можно повысить пропускную способность в ущерб помехоустойчивости и наоборот. По-видимому, принципиально можно спроектировать такую оптимальную систему связи, которая по некоторому критерию лучше других будет удовлетворять поставленным требованиям.
Проектирование системы связи, обеспечивающей наибольшие пропускную способность и помехоустойчивость, требует учета многих факторов. В общей постановке задача состоит согласно (1.1.3) в выборе такого алгоритма (правила) работы системы Y=W{V}, чтобы при максимальной пропускной способности получить выходное сообщение, минимально отличающееся от переданного с точки зрения некоторого критерия. Синтез такой оптимальной системы требует совместного выбора системы сигналов (операций
кодирования и способа модуляции) и способов приема (демодуляции и декодирования). В таком общем виде данная задача еще не решена.
Поэтому для получения практических результатов данную задачу приходится расчленять и синтезировать систему по частям при некоторых фиксированных параметрах. Например, при заданном произвольно способе приема можно выбрать оптимальную систему сигналов, т.е. способы кодирования и модуляции. При выбранной системе сигналов задача сводится к построению оптимального приемника. Искомым является оператор W .
При раздельном выборе операторов F и W необходимо руководствоваться следующими принципами. Во-первых, приемник должен наилучшим образом подавлять помехи, т.е.обеспечивать максимальную помехоустойчивость. Система сигналов должна выбираться такой, чтобы сигналы, отображающие различные сообщения, как можно более отличались друг от друга, чтобы помехи как можно менее влияли на их различие. Таким способом можно выбрать наилучшие коды, наиболее помехоустойчивые виды модуляции, построить оптимальный приемник, т.е. получить оптимальные решения для отдельных звеньев системы связи. Такой способ позволяет синтезировать если не наилучшие теоретически, то, по крайней мере, хорошие и работоспособные системы связи.
Именно в таком направлении и развивалась общая или статистическая теория связи. В 1941 г. советский математик А.Н.Колмогоров разработал математические основы теории оптимальных по критерию минимума среднеквадратичной ошибки линейных цепей (фильтров), развитой в дальнейшем Н.Винером. В 1947 г. В.А. Котельников заложил основы теории помехоустойчивости в своей выдающейся работе "Теория потенциальной помехоустойчивости". В этой работе впервые была поставлена и решена задача построения идеального приемника, который обеспечивает потенциальную, т.е. максимально возможную помехоустойчивость. В 1949 г. американский ученый К.Шеннон положил начало теории информации. Он доказал возможность такого кодирования, которое позволяет получить максимально возможную скорость передачи сообщений со сколь угодно малой вероятностью ошибочного приема всего сообщения.
Эти работы и положили начало новой науке - общей теории связи или общей теории информации. Теория информации возникла благодаря проникновению в теорию и технику связи точных математических методов. В узком смысле слова теория информации занимается отысканием оптимальных способов кодирования. В
широком смысле слова теория информации - это теория, использующая вероятностные и статистические методы для анализа и синтеза систем связи и их элементов. Использование этих методов в качестве основного математического инструмента объясняется тем, что сигналы связи являются не регулярными, а случайными процессами.
Теория вероятностей и теория случайных процессов являются главным математическим инструментом при анализе прохождения сигналов и помех через системы связи и их элементы. Методы математической статистики, особенно теории статистических решений и теории оценок, являются основными при синтезе и сравнении систем связи, удовлетворяющих определенным критериям качества.
Как отмечалось выше, отдельные реализации сигнала можно описать детерминированными (регулярными) функциями времени. Поэтому для первоначального исследования физических процессов в устройствах передачи и приема электрических сигналов используются также и классические методы, например, метод гармонического анализа (ряды и интеграл Фурье).
Ниже рассматриваются методы математического описания сигналов связи.
ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЕ СИГНАЛЫ
§ 2.1. Спектральное представление детерминированных
сигналов
Как отмечалось в главе 1, сигналы связи по своей природе являются случайными процессами. Однако, отдельные реализации случайного процесса и некоторые специальные (например, испытательные) сигналы можно считать детерминированными функциями. Последние принято делить на периодические, почти периодические и непериодические, хотя строго периодических сигналов в реальных условиях не существует.
Сигнал называется периодическим, если он удовлетворяет условию
S(t)=S(t + KT) (2.1.1)
на интервале ≤ t ≤ , где Т - постоянная величина, называемая периодом, а К - любое целое число.
Непериодическим называется сигнал, который не удовлетворяет условию (2.1.1.) на всей оси времени. Он задается на конечном (t1≤t≤ t2) или полубесконечном (t1≤t<∞) интервале времени, а за пределами этого интервала принимается тождественно равным нулю. Непериодический сигнал можно рассматривать как периодический, но с бесконечно большим периодом. Одной из характеристик непериодического сигнала является его длительность, под которой понимают либо длительность, соответствующую всему сообщению или отрезку сообщения, либо длительность отдельного элемента (например, элемента кодовой комбинации).
Почти периодическим сигналом называется такой, для которого период можно указать лишь приближенно. Такими сигналами являются, например, сигналы, которые могут быть представлены в виде суммы гармонических составляющих с произвольными (не кратными) частотами.
В теории сигналов широко используется спектральное представление сигналов. Спектральным представлением детерминированного сигнала S(T) называется его представление в виде суммы конечного или бесконечного числа гармонических составляющих. Основой спектрального представления сигналов являет-
ся преобразование Фурье. Рассмотрим сначала спектральное представление модулирующих или видеосигналов.
Как известно из математики, любую периодическую функцию с периодом Т, удовлетворяющую условиям Дирихле, можно представить в виде ряда Фурье
, (2.1.2)
где а коэффициенты aK и bК определяются пo формулам
Величина
определяет среднее значение сигнала за период и называется постоянной составляющей.
Частота называется основной частотой сигнала, а кратные ей частоты Fk = КF- высшими гармониками.
Выражение (2.1.2) можно переписать следующим образом
,
(2.1.6)
Обратные зависимости для коэффициентов и
C 5 |
Ω |
C 4 |
C 2 |
C 1 |
C 6 |
C 3 |
2Ω |
4Ω |
3Ω |
5Ω |
w |
6Ω |
Рис. 2.1- график спектра амплитуд периодического сигнала
приведен график спектра амплитуд периодического сигнала. Аналогичный вид имеет и спектр фаз. Спектр периодической функции называется
линейчатым или дискретным, так как состоит из отдельных
линий, соответствующих частотам О, Ω.2Ω,…
Если функция S (t) , описывающая сигнал, четная, т.е. S (t) = S (-t), то согласно (2.1.3) все bk= 0 , и соответствующий ей ряд Фурье будет содержать только косинусоидальные члены. Если функция S(t) - нечетная, т.е. S(t) = -S(-t), то в ряде Фурье будут только синусоидальные члены. С использованием выражения
вместо (2.1.5) можно записать
Согласно выражениям (2.1.3) и (2.1.6) коэффициенты Ck и αk четны относительно k, а коэффициенты bk и фазовые углы - нечетны, т.е.
Поэтому вторую сумму в (2.1.8) можно представить в следующем виде
Объединяя обе суммы выражения (2.1.8), получим так называемую комплексную или показательную форму ряда Фурье
где коэффициенты называются комплексными амплитудами гармоник и связаны с коэффициентами Сk и k , а также bk и αk соотношениями
,
. (2.1.12)
На основании выражений (2.1.12) и (2.1.3) можно также записать
Сравнивая (2.1.5) и (2.1.13), замечаем, что при использовании комплексной записи ряда Фурье отрицательные значения к позволяют говорить о составляющих с "отрицательными* частотами. Однако появление отрицательных частот имеет формальный характер и связано с использованием комплексной формы записи для представления действительного сигнала. В самом деле, гармонической составляющей с "физической" частотой Ωk = kΩ в выражении (2.1.11) соответствует следующая пара слагаемых
Эта пара слагаемых, вследствие четности модуля и нечетности фазы k , дает в сумме вещественную гармоническую функцию с положительной частотой:
Благодаря удвоению числа составляющих при использовании показательной формы записи ряда Фурье амплитуды их в 2 раза уменьшаются. Использование такой записи в значительной степени упрощает математические выкладки при исследовании прохождения сигналов через различные линейные системы.
Вычислим теперь среднюю за период мощность сигнала
где волнистая черта сверху означает усреднение по времени. Поставляя (2.1.2) в (2.1.15) и учитывая, что
,
,
а интегрирование за период исходной функции Т гармонических колебаний с удвоенной частотой и произведений косинусов и синусов с аргументами неодинаковой кратности дает нуль, вместо (2.1.15) получим
Это выражение носит название равенства Парсеваля, которое показывает, что средняя мощность сигнала равна сумме средних мощностей его частотных составляющих и не зависит от фазовых соотношений между отдельными составляющими.
Спектры непериодических сигналов
S(t) |
t |
T |
α |
Ω |
2Ω |
4Ω |
3Ω |
5Ω |
6Ω |
C k |
C 5 |
C 4 |
C 2 |
C 1 |
C 6 |
C 3 |
Рис.2.2 - При увеличении T частота первой гармоники уменьшается и спектральные линии
Если функция остается неизменной на интервале,то непериодическую функцию можно рассматривать как предельный случай периодической функции с неограниченно возрастающим периодом. При увеличении T частота первой гармоники
уменьшается и спектральные линии на рис.2.2 б
располагаются чаще. В пределе при T→∞, интервал между
линиями в спектре сокращается до нуля, т.е. спектр вместо дискретного становится сплошным, непрерывным. Амплитуды гармоник Сk , согласно (2.1. 13), становятся бесконечно малыми. Математически это можно выразить следующим образом. Введем вместо (2.1.13) функцию
Тогда вместо (2.1.11) получим
При Т→∞ частота kΩ может принимать любое значение ω,
.
Поэтому вместо (2.1 .17) и (2.1.18) окончательно получим
Эти два выражения носят название пары преобразований Фурье, которая связывает между собой функцию времени S(t) и комплексную функцию частоты S(jw) .
Физический смысл формулы (2.1.20) состоит в том, что непериодический сигнал S(t) имеет непрерывный спектр, т.е. представляется бесконечной суммой гармонических колебаний с бесконечно малыми комплексными амплитудами (ср.(2.1.11))
Функция:
имеет размерность (амплитуда/герц) и показывает амплитуду сигнала, приходящуюся на единицу полосы частот в 1 гц. Поэтому эта непрерывная функция частоты называется спектральной плотностью комплексных амплитуд или просто спектральной плотностью.
Аналогично (2.1.12) спектральную плотность комплексных амплитуд можно представить в виде
и
. (2.1.24)
Функция называется модулем спектральной плотности или спектральной плотностью амплитуд, a -спектральной плотностью фаз.
Отметим одно важное обстоятельство. Сравнивая выражения (2.1.13) и (2.1.17), замечаем, что при они отличаются только постоянным множителем, а
т.е. комплексные амплитуды периодической функции с периодом Т. можно определять по спектральной характеристике непериодической функции такого же вида, заданной в интервале. Сказанное справедливо и по отношению к модулю спектральной плотности:
Это соотношение формулируется следующим образом: огибающая сплошного амплитудного спектра непериодической функции и огибающая амплитуд линейчатого спектра периодической функции совпадают по форме и отличаются только масштабом (рис.2.2) Вычислим теперь энергию непериодического сигнала. Умножая обе части равенства (2.1.20) на S(t) и интегрируя в бесконечных пределах, получим
где и - комплексно-сопряженные величины. Так как
Это выражение называется равенством Парсеваля для непериодического cигнала и аналогично (2.1.16), однако в отличии от последнего оно определяет не среднюю мощность, а полную энергию сигнала.
Из (2.1.28) видно, что есть не что иное, как энергия сигнала, приходящаяся на 1 гц полосы частот около частоты ω.
Поэтому функцию S2(w) иногда называют спектральной плотностью энергии сигнала S(t) .
В заключение параграфа приведем без доказательства несколько теорем о спектрах, выражающих основные свойства преобразования Фурье.
1. Теорема сложения. Спектр суммы нескольких сигналов
S(t) = S1(t)+S2(t) + ...
равен сумме спектров этих сигналов:
S(jw)=S1(jw) + S2(jw) + …
В справедливости этого выражения легко убедиться, используя выражения (2.1.19) и (2.1.20).
2. Теорема запаздывания. Спектральная плотность
сигнала полученного при сдвиге сигнала S(t) по
оси времени на, определяется выражением
т.е. сдвиг функции по оси времени приводит к появлению фазового сдвига для всех частотных составляющих, равного Wτ0
В справедливости последнего выражения легко убедиться, заменив в (2.1.19) t на
3. Теорема смещения . Если S(jw) - спектр функции S(t),
то спектру, полученному путем сдвига исходного спектра по оси частот на величину w0 , соответствует функция
4. Теорема о спектрах производной и интеграла.
Спектры
производной и интеграла от функции S(t) определяются соответственно выражениями
5. Теорема о спектре свертки . Сверткой двух функций S1(t)и S2(t) называется интеграл
Спектр свертки двух функций равен произведению спектров свертываемых функций:
В частном случае, когда, то
Используя последнее выражение, легко получить ранее введенное равенство Парсеваля (2.1.28).
§ 2.2 Спектры некоторых импульсных сигналов
Рассмотрим некоторые конкретные примеры использования преобразования Фурье для анализа импульсных сигналов.
1. Одиночный прямоугольный импульс . Пусть имеется прямоугольный импульс длительностью и амплитудой h (рис.2.3). Для такого импульса прямым преобразованием Фурье находим
S(w) |
w |
q |
Рис.2.3- График спектра для положительных частот
замечаем, что при уменьшении длительности импульса функция S(w) растягивается, т.е.
ширина спектра увеличивается. При увеличении ширина спектра уменьшается.
Если ограничить спектр прямоугольного импульса первым нулем спектральной плотности, т.е. круговой частотой
то для произведения длительности импульса на ширину спектра получим
Это равенство является частным случаем более общего равенства, справедливого для всех импульсных сигналов:
согласно которому произведение ширины спектра сигнала на его длительность есть величина постоянная, близкая к единице. Существует несколько определений длительности импульса и ширины спектра. Согласно одному из них под длительностью импульса (шириной спектра) понимается промежуток времени (полоса частот), в котором сосредоточена подавляющая часть энергии импульса.
2. Колокольный (гауссов) импульс. Колокольным называется импульс, который описывается функцией
Для спектральной плотности такого импульса с использованием преобразования Фурье получим
Графики колокольного импульса и модуля его спектра показаны на рис. 2.4. Первой особенностью такого импульса является то,
S(t) |
-σ |
σ |
t |
-2σ |
2σ |
S(w) |
- |
w |
- |
h |
Рис.2.4- Графики колокольного импульса и модуля его спектра
что спектральная плотность его совпадает по форме с временной функцией, т.е. является также гауссовой кривой. Другой особенностью такого импульса является то, что из всех возможных форм импульсов он имеет наименьшее произведение длительности на ширину спектра
.
3. Единичный импульс. Единичным импульсом или дельта--функцией σ(t) называется функция бесконечно малой длительности с конечной площадью, равной единице:
Такую функцию можно рассматривать как предел прямоугольного импульса с длительностью τ и высотой при τ→0.Устремляя в (2.2.1) τ→0 , для спектральной плотности единичного импульса получим
Этот же результат можно получить и обычным способом:
так как δ(t)=0 при всех значениях t≠0, апри t=0 экспоненциальный множитель обращается в единицу. Здесь использовалось так называемое фильтрующее свойство δ - функции, согласно которому
Таким образом, спектр единичного импульса является сплошным и равномерным с единичной спектральной плотностью вплоть до бесконечно больших значений частоты.
Единичный импульс является математической абстракцией. Физически можно реализовать только короткий импульс, т.е. импульс очень малой длительности τ , с площадью, равной q. Спектр такого импульса определяется выражением
При малых τ величина и
Следовательно, короткий импульс любой формы имеет равномерный спектр вплоть до частот порядка (пока выполняется условие wt<1). Далее спектральная плотность начинает убывать.
4. Единичная функция. Единичная функция, единичный скачок или функция включения записывается в виде
Рис.2.5- Зависимость от частоты
Заметим, что рассмотренный ранее единичный импульс можно рассматривать как производную единичной функции:
а единичную функцию можно выразить интегральным соотношением
Используя теорему о спектре интеграла (2.1.31) и выражение (2.2.5), получим
Модуль спектра этой функции есть Зависимость его от частоты показана на рис.2.5 б.
Единичная функция широко используется в качестве испытательного сигнала при исследовании переходных процессов в электрических цепях. Напомним, что отклик цепи h(t) на единичную функцию называется переходной характеристикой .
5. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов
Рассмотрим периодическую последовательность прямоугольных импульсов с длительностью и периодом Т (Рис.2.6). Используя (2.1.13), для такой последовательности получим
C k |
w |
C 5 |
C 7 |
C 8 |
C 1 |
C 2 |
C 4 |
Рис.2.6- периодическая последовательность прямоугольных импульсов
с длительностью и периодом Т
Этот же результат можно было бы получить и из выражения (2.2.1), используя соотношение (2.1.26), согласно которому спектральная плотность S (w) одиночного импульса длительностью С с точностью до постоянного множителя совпадает с огибающей спектра амплитуд периодической последовательности таких же импульсов с периодом следования Т. График модуля спектра (2.2.11) для положительных частот показан на рис.2.6.
На основании (2.1.11) и (2.2.11) периодическая последовательность прямоугольных импульсов разлагается в ряд Фурье следующим образом
Отметим теперь следующее обстоятельство. Если при неизменной длительности импульса увеличивается период Т последовательности, то расстояние между спектральными линиями Ω=> уменьшается, расстояние же между нулями огибающей спектра, равное, остается неизменным. При неизменной длительности периода Т и изменении длительности импульса будет меняться расстояние между нулями огибающей спектра.
Число гармоник, укладывающихся в интервале или между любыми двумя соседними нулями, будет определяться величиной
Величина Q , равная отношению длительности периода к длительности импульсов, называется скважностью периодической импульсной последовательности.
6. Одиночный радиоимпульс. Радиоимпульсом называется импульс, временная функция которого записывается в виде
где τ - длительность импульса, a(t) - огибающая амплитуд,
w0 - частота, а φ0 - начальная фаза высокочастотного колебания, период которого Спектральная плотность радиоимпульса в соответствии с (2.1.19) будет равна
Спектральные плотности огибающей импульса α(t), смещенные по оси частот на постоянную величину (ср.с (2.1.30)).
Таким образом, спектральная плотность радиоимпульса полностью определяется спектральной плотностью его огибающей. Можно показать, что при τ>>T0 и w>0 для большинства радиоимпульсов выполняется условие
Поэтому с достаточной точностью спектральную плотность одиночного радиоимпульса можно определять по формуле
Проиллюстрируем сказанное на примере радиоимпульса с прямоугольной огибающей (рис.2.7):
откуда для модуля и фазы спектральной плотности находим
w |
W 0 |
S(w) |
ограниченном увеличении длительности импульса τ. получим гармоническое колебание в точном смысле определения периодической функции. Сплошной спектр колебания при этом вырождается в одну спектральную линию на частоте ωo
§ 2.3. Модулированные колебания и их спектры
Как уже отмечалось в главе 1, модуляция заключается в изменении одного или нескольких параметров переносчика в соответствии с передаваемым сообщением. При использовании в качестве переносчика высокочастотного гармонического колебания модулированный сигнал в общем случае можно представить в виде
В зависимости от того, какой из параметров a, w или φ модулируется, различают три вида модуляции: амплитудную (AM), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ). Всякое модулированное колебание несинусоидальное и имеет сложный спектр. Рассмотрим перечисленные выше виды модуляции подробно.
S(t) |
w |
Рис.2.11- Спектр колебания
Заметим, что огибающая амплитуд боковых частот с точностью до постоянного множителя совпадает с огибающей спектра амплитуд модулирующей функции. Это позволяет легко построить амплитудный спектр AM колебания, если известен спектр модулирующей функции. Для построения необходимо сместить спектр модулирующей функции по оси частот на величину w0 , получая при этом верхнюю боковую полосу; нижняя боковая полоса будет являться зеркальным отображением верхней относительно частоты w0 .
Проиллюстрируем сказанное на примере амплитудной манипуляции (рис.2.12). В случае манипуляции модулирующая функция представляет собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов и согласно (2.2.12)
при ar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/>
S(t) |
t |
τ |
T |
w |
W 0 |
Рис.2.12 - амплитудная манипуляция
Амплитудно-манипулированное колебание при этом записывается в виде
Амплитудный спектр манипулированного колебания показан на рис.2.12.
Амплитудно-модулированные колебания являются типичным примером почти периодических сигналов, для которых гармонические составляющие имеют некратные частоты.
Рассмотрим энергетические соотношения при AM. В соответствии с изменением амплитуды колебания изменяется и средняя за период высокой частоты мощность модулированного колебания.
Мощность сигнала в отсутствии модуляции (мощность несущего колебания) определяется первым членом выражения (2.3.5) и равна
где период высокочастотного колебания.
В режиме модуляции мощность непрерывно изменяется. Ее максимальное и минимальное значения соответственно определяются выражениями
Мощность двух боковых частот (при модуляции чистым тоном) при будет равна
Средняя за период модуляции мощность будет равна
где период модулирующего колебания.
Из последних выражений при m=1 получим
Таким образом, при стопроцентной модуляции 2/3 всей мощности тратится на передачу несущего колебания и 1/3 - на пере дачу боковых частот. Обусловленное модуляцией приращение мощности, которое в основном и определяет условия выделения сообщения при приеме, в этом случае не превышает половины мощности несущего колебания. Кроме того, большая величина пико-4 вой мощности по сравнению со средней требует линейного режима работы тракта приема-передачи в широком динамическом диапазоне (в передатчике лампы должны выбираться по максимальной мощности). Сказанное позволяет заключить, что амплитудная модуляция с энергетической точки зрения имеет существенные недостатки.
Указанные недостатки амплитудной модуляции можно в значительной мере устранить, если использовать передачу с подавленной несущей. Подавление несущей осуществляется при использовании балансной амплитудной модуляции (БАМ). Этот вид модуляции называют еще двухполюсной модуляцией (ДМ). При балансной модуляции сигнал записывается в виде
откуда при модуляции чистым тоном получим
т.е. только две боковые частоты без несущей.
При балансной модуляции аналогично (2.3.10) (2.3.13) находим
Следовательно, энергетические показатели в этом случае значительно лучше, чем при обычной AM.
На рис.2.13 показан спектр сигнала при балансной модуляции и временные диаграммы при обычной и балансной модуляции. Временная диаграмма в последнем случае получается путем вычитания из обычного AM колебания составляющей Нетрудно видеть, что огибающая при балансной модуляции имеет удвоенную частоту, а фаза высокочастотного заполнения меняется скачком на 180o при каждом переходе огибающей через нулевое значение. Весьма показательным примером этого может служить амплитудно-манипулированное колебание с подавленной несущей (рис.2.14). Такое колебание по сути дела будет являться фазоманипулированным колебанием, которое будет рассмотрено подробнее несколько ниже. Однако уже сейчас можно отметить, что фазоманипулированное колебание будет иметь амплитудный спектр AM колебания с подавленной несущей.
t |
AM |
t |
Рис.2.14- амплитудно-манипулированное колебание с подавленной несущей
Использование БАМ и ОМ позволяет сократить бесполезный расход энергии на составляющую несущей частоты, а при ОМ - сократить дополнительно вдвое ширину спектра передаваемого сигнала. Однако для демодуляции сигнала на приемной стороне несущая необходима. Необходимость восстановления несущей требует некоторого усложнения аппаратуры.
Частотная модуляция
При частотной модуляции по закону модулирующего колебания U(t) изменяется частота высокочастотного несущего колебания.
На рис.2.15 показаны графики модулирующего и модулированного сигналов в случае модуляции чистым тоном. Получим выражение для ЧМ - колебания. По определению
где - максимальное отклонение частоты, называемое де-внациеи частоты, a - относительное изменение частоты. По своему определению мгновенная круговая частота является производной по временя от аргумента тригонометрической функции COS Ψ(t) , представляющей колебание, т.е.
U(t) |
S(t) |
t |
t |
Назначение систем связи.
Рассмотрим общие принципы построения систем радиосвязи (радиоканала). Достаточно условно все существующие системы радиосвязи можно разделить на два больших класса: симплексные и дуплексные системы связи.
Рис. 6. Структурная схема организации дуплексной связи
Под симплексной связью (simplex - односторонний; связь «один-ко-всем») понимают связь между двумя пунктами, при которой в каждом из них передача и прием сообщений ведутся поочередно на одной несущей частоте. Часто симплексную связь используют для передачи информации только в одном направлении, например радиовещание, телевидение, оповещение и т. д. Дуплексная связь (duplex - двусторонний; связь «один-на-один») - двусторонняя связь между двумя пунктами, при которой передача и прием сообщений осуществляют одновременно на разных несущих частотах (рис. 6).
Сейчас применяют такую разновидность симплексной радиосвязи, как полудуплексная (half-duplex) связь или двухчастотный симплекс, когда система связи обеспечивает поочередно передачу и прием информации на двух разных несущих частотах с использованием ретрансляторов.
Отметим, что ретранслятор (от лат. translator - переносчик) - радиотехническое устройство, используемое как промежуточный приемопередающий пункт линии радиосвязи. По числу используемых каналов различают одноканальные и многоканальные системы связи (системы передачи информации). Об одноканальных системах связи уже в принципе и говорилось. Система связи называется многоканальной, если она способна обеспечить передачу нескольких сообщений по одной общей линии связи (каналу). Основная задача многоканальных систем связи - одновременная передача сообщений от многих источников, т. е. увеличение пропускной способности (часто используется термин «емкость»). Повышение эффективности использования канала связи достигается путем применения разных методов уплотнения каналов связи, за счет сокращения избыточности сообщений и организации так называемого многоканального и многостанционного доступа абонентов. Для увеличения пропускной способности большинства систем связи применяют временное и частотное
|
уплотнение (multiplexing; от лат. multiplex - сложный, многократный) сигналов (рис. 7).
Рис.7. Структурные схемы модуляторов систем связи с уплотнением:
а - временным; б - частотным
Амплитудная, частотная и фазовая модуляция несущих колебаний позволяет строить многоканальные радиоэлектронные системы с частотным уплотнением (разделением) каналов (ЧРК), обусловленным использованием несущих колебаний с различными частотами. Достоинством системы с ЧРК является сравнительная простота и возможность передачи весьма широкополосных сообщений, например телевизионных.
Импульсная модуляция несущего колебания дает возможность разрабатывать многоканальные радиотехнические системы связи с временным уплотнением (разделением) каналов (ВРК), обладающие заметными преимуществами перед системами связи с ЧРК. К этим достоинствам относится высокая точность передачи сигналов (лучшая помехозащищенность) и возможность передавать совместно сообщения нескольких каналов в одном частотном диапазоне, поскольку сообщению каждого канала будет соответствовать своя последовательность импульсов, не перекрывающаяся с последовательностью импульсов сообщения другого канала. При временном уплотнении, благодаря тому, что сигналы передают не непрерывно, а только их отсчетами (выборками) в очень короткие временные интервалы, на одной несущей частоте можно передавать ряд различных сигналов. Для этого разные сигналы U 1 (t), U 2 (t) …..U n (t), отражающие группу из n передаваемых сообщений, подают на аналоговый мультиплексор (селектор или аналоговый коммутатор) (рис. 7, а). Суммарные сигналы аналогового мультиплексора U Σ (t) с помощью импульсного модулятора и задающего генератора переносят на частоту f 0 и через усилитель мощности подводят к передающей антенне.
Традиционно во многих радиотехнических системах передачи информации широкое применение находит частотное уплотнение сигналов, осуществляемое предварительно (перед основной модуляцией) дополнительной модуляцией на так называемых поднесущих частотах (предварительных; от англ. - subcarrier frequency) -f 1 ,f 2 ,…..f n (рис. 7, б). Поднесущие частоты значительно превышают частоту передаваемого сигнала, но во много раз меньше несущей частоты.
При частотном уплотнении передаваемые сигналы предварительно поступают на модуляторы поднесущих частот, где осуществляется амплитудная, частотная, фазовая или другие виды модуляции.
Необходимые элементы модуляторов поднесущих частот - полосовые фильтры (на рис. 7, б не показаны), настроенные на поднесущие частоты и подавляющие спектральные составляющие соседних каналов. Затем промодулированные сигналы с поднесущими частотами подают на основной модулятор, работающий на основной несущей частоте f 0 , и в виде суммарного сигнала U Σ (t) через антенну излучают в пространство.
Системы радиосвязи принято делить на наземные и спутнико-космические . В наземных системах радиосвязи радиоволны распространяются в пределах земной атмосферы. Такие системы служат для обеспечения связи с самолетами, кораблями, наземным транспортом и другими объектами. Они осуществляют персональную радиосвязь в рамках сотовой, транкинговой и иных видов связи. Особенностью спутнико-космических систем радиосвязи является наличие в их составе искусственных спутников Земли (ИСЗ), на которых располагают ретрансляторы радиосигналов. В целом система состоит из двух основных частей, или сегментов: наземного и космического. С помощью систем космической радиосвязи, работающих, как правило, в диапазоне сверхвысоких частот, передают огромные объемы сообщений: трансляция множества телевизионных каналов, компьютерных данных, телефонных, телефаксных и иных сообщений.
Линии связи
Виды линий связи, по которым передают информацию от источника к получателю, многочисленны и разнообразны. Различают каналы проводной связи (проводные, кабельные, оптоволоконные и др.) и каналы радиосвязи.
Кабельные линии связи являются основой магистральных сетей дальней связи; по ним осуществляется передача сигналов в диапазоне частот от десятков килогерц до сотен мегагерц. Одним из самых совершенных систем передачи информации являются волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Информация по таким каналам передается в виде световых импульсов, посылаемых лазерным излучателем. Они позволяют в диапазоне частот 600 ... 900 ТГц (к = 0,5...0,3 мкм) обеспечить чрезвычайно большую пропускную способность (примерно 120 000 каналов по паре оптических волокон) и создают надежную и скрытую связь с высоким качеством передачи информации. Основными преимуществами оптических волокон (ОВ), или световодов, как физической среды распространения сигналов электросвязи и конструктивной основы оптического кабеля (ОК) являются:
Широкая полоса пропускания, позволяющая передавать сигналы электросвязи со скоростью (битрейтом) до 2,0 ... 2,5 Тбит/с и выше; например, даже при скорости 50 Мбайт/с в течение 1 с передается объем информации, приблизительно равный содержанию 10 школьных учебников.
Низкий уровень потерь на распространение сигналов, обеспечивающих их передачу без регенерации на расстояния до 150 ... 175 км (и в перспективе до 350 км и более);
Абсолютная нечувствительность к электромагнитным помехам;
Отсутствие перекрестных помех (перекрестной модуляции) в ОК;
Малая масса и размеры ОК.
К другим достоинствам ОВ и ОК можно отнести такие, как достаточно высокая защищенность от несанкционированного перехвата передаваемой информации, пожаробезопасность, относительно невысокая стоимость ОК по сравнению с медными кабелями и практически неограниченные запасы сырья для производства ОВ. Все это делает их применение в сетях и системах связи еще более привлекательным и технически и экономически оправданным. Поэтому ОК почти полностью вытесняют в настоящее время другие виды направляющих структур в магистральных линиях цифровых первичных сетей связи. Наряду с проводными линиями связи широко используют радиолинии различных диапазонов (от сотен килогерц до десятков гигагерц). Эти линии более экономичны и незаменимы для связи с подвижными объектами. Для многоканальной системы радиосвязи при передаче, информации на большие расстояния широко используются радиорелейные линии (РРЛ) связи. Радиорелейная связь (радио и франц. relais - промежуточная станция) -радиосвязь, состоящая из группы ретрансляционных станций, расположенных на определенном расстоянии друг от друга, обеспечивающем устойчивую работу. Антенны станций линии радиорелейной связи устанавливают на мачтах (башнях) высотой 70 ... 100 м. Протяженность линии радиорелейной связи может составлять до 10 000 км, емкость - до нескольких тысяч каналов.
В зависимости от используемого метода распространения радиоволн радиорелейные линии связи можно разделить на две основные группы: прямой видимости и тропосферные.
Радиорелейные линии прямой видимости - основные наземные средства передачи сигналов телефонной связи, звукового и телевизионного вещани», цифровых данных и других сообщений на большие расстояния. Ширина полосы частот сигналов многоканальной телефонии и телевизионного вещания составляет несколько десятков мегагерц, поэтому для их передачи практически могут быть использованы диапазоны только дециметровых и сантиметровых волн, общая ширина спектра которых составляет 30 ГГц. Кроме того, в этих диапазонах почти полностью отсутствуют атмосферные и промышленные помехи.
Современные радиорелейные линии связи представляют собой цепочки достаточно мощных приемно-передающих радиостанций - ретрансляторов, последовательно принимающих, усиливающих, преобразовывающих (переносящих) сигналы на другие частоты и передающих далее сигналы от одного конца линии связи к другому (рис.8). На каждой из промежуточных станций происходит восстановление и перенос сигнала на другую частоту, т. е. замена принятого слабого сигнала новым сильным, посылаемым на следующую станцию. Наиболее распространены радиорелейные линии метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов на частотах от 60 МГц до 15 ГГц.
Рис. 8. Структурная схема радиорелейной линии связи
Все большее применение находят спутниковые линии связи - РРЛ с ретранслятором на искусственном спутнике Земли. В системах спутниковой радиосвязи используются радиоволны СВЧ-диапазона (обычно в пределах частот 1,5...14 ГГц, наиболее используемый диапазон 4...6 ГГц), пронизывающие ионосферу с минимальным затуханием. Передача информации на большое расстояние при одном ретрансляторе на ИСЗ, гибкость и возможность организации глобальной связи - важное преимущество спутниковых систем. Основным преимуществом цифровых систем связи перед аналоговыми системами является их высокая помехоустойчивость. Это полезное качество наиболее сильно проявляется в системах передачи с многократной ретрансляцией (переприемом) сигналов. Типичные системы подобного типа - радиорелейные, волоконно-оптические и кабельные линии большой протяженности. В них сигналы передаются по цепи ретрансляторов, расположенных на таких расстояниях друг от друга, которые обеспечивают надежную связь. В таких системах помехи и искажения, возникающие в отдельных звеньях, как правило, накапливаются. Для простоты положим, что радиосигнал в каждом ретрансляторе только усиливается. Тогда, если аддитивные помехи в каждом звене связи статистически независимы, их мощность на входе последнего звена равна сумме мощностей помех всех звеньев. Если система передачи информации состоит из n одинаковых звеньев, для обеспечения заданной верности связи необходимо обеспечить на входе каждого ретранслятора отношение сигнал/помеха в п раз больше, чем при передаче сигнала без ретрансляций. В реальных системах число ретрансляций п может достигать несколько десятков, а иногда и сотен; накопление помех вдоль тракта передачи становится основным фактором, ограничивающим протяженность линии связи. В цифровых системах передачи для ослабления эффекта накопления помех при передаче с ретрансляциями наряду с усилением применяют регенерацию импульсов, т. е. демодуляцию с восстановлением переданных кодовых символов и повторную модуляцию на переприемном пункте. При использовании регенерации аддитивная помеха с входа ретранслятора не поступает на его выход. Однако она вызывает ошибки при демодуляции. Ошибочно принятые в одном регенераторе символы в таком виде передаются и на следующие регенераторы, так что ошибки все же накапливаются. При цифровой системе передачи непрерывных сообщений можно, кроме того, повысить верность применением помехоустойчивого кодирования. Высокая помехоустойчивость цифровых систем передачи позволяет осуществить практически неограниченную по дальности связь при использовании каналов сравнительно невысокого качества.
Всякое сообщение является некоторой совокупностью сведений о состоянии какой-либо материальной системы, которые передаются человеком (или устройством), наблюдающим эту систему, другому человеку (или устройству), обычно не имеющему возможности получить эти сведения из непосредственных наблюдений. Эта материальная система, вместе с наблюдателем, представляет собой источник сообщения. Для того чтобы сообщение было передано получателю, необходимо воспользоваться каким-либо физическим процессом. Изменяющаяся физическая величина (например, ток в проводе, электромагнитное поле, звуковые волны и т. п.), отображающая сообщение, называется сигналом. Совокупность средств, предназначенных для передачи сигнала, называется каналом связи. Здесь под «средством» можно понимать как устройство, так и физическую среду, в которой распространяется сигнал. Сигнал принимается получателем. Зная закон, связывающий сообщение и сигнал, получатель может выявить содержащиеся в сообщении сведения. Для получателя сообщения сигнал заранее не известен, и поэтому он является случайным процессом.
Помимо передаваемого сигнала в канале всегда присутствуют другие случайные процессы различного происхождения, называемые помехами или шумами. Наличие помех вызывает принципиальную неоднозначность в восстановлении сообщения.
Канал связи вместе с источником сообщения и его получателем при заданных методах преобразования сообщения в сигнал и восстановления сообщения по принятому сигналу называется системой связи.
Иногда канал используется для передачи сообщений от нескольких источников нескольким получателям. Такой канал называется уплотненным и будет рассмотрен в гл. 9.
Рис. 1.1. Схема системы связи.
На рис. 1.1 представлена в самом общем виде схема системы связи. Здесь под передающим устройством понимается вся аппаратура, осуществляющая преобразование сообщения в сигнал, а под приемным устройством - аппаратура, восстанавливающая сообщение. В состав канала может также входить аппаратура, например ретрансляционные усилители.
Рис. 1.2. К определению канала.
Заметим, что понятие «канал» не является строго определенным. Пусть, например, сигнал, передаваемый из точки в точку (рис. 1.2), проходит последовательно через некоторые звенья которые могут представлять собой, например, усилители, отрезки кабеля, среду, в которой распространяются электромагнитные или акустические колебания, и т. д. Можно всю совокупность этих звеньев называть каналом. По можно считать каналом часть звеньев, например от до , отнеся звенья и к передающему устройству, а звено - к приемному. В общей теории связи удобно называть каналом любую часть системы связи, которую по условиям решаемой задачи невозможно или нежелательно изменять. В этом смысле мы и будем понимать термин «канал».
С математической точки зрения задать канал - значит указать, какие сигналы можно подавать на его вход и каково распределение вероятностей сигнала на его выходе при известном сигнале на входе. Общей задачей теории связи является нахождение таких методов преобразования сообщения в сигналы данного канала и обратного преобразования принятого сигнала в сообщение, при которых обеспечивается в некотором смысле наилучшая передача сообщений.
Любая реальная материальная система, входящая в источник сообщений, может иметь непрерывный ряд состояний. Однако сведения, передаваемые о ней, никогда не исчерпывают всех особенностей состояния и могут во многих случаях образовывать дискретное (т. е. конечное или счетное) множество . В этом случае говорят, что источник сообщений является дискретным.
Для того чтобы судить о том, является ли некоторый источник сообщении дискретным или непрерывным, необходимо, выбрав конечный интервал времени длительностью , рассмотреть все множество сообщений , которое данный источник мог бы создавать за это время. Если это множество конечно, то источник сообщений является дискретным, в противном случае он непрерывный.
Разумеется, с ростом увеличивается и число различных сообщений , которое может создать дискретный источник, причем это число для любых источников возрастает приблизительно по экспоненциальному закону . Поэтому если не ограничивать интервал времени , то множество окажется всегда бесконечным. Однако для дискретного источника сообщений оно всегда будет счетным. Это значит, что все мыслимые сообщения можно расположить по некоторому закону в ряд и перенумеровать. Так, например, для источника, создающего сообщения в виде текста, записанного, скажем, русским алфавитом, можно разделить все возможные сообщения на группы, отличающиеся количеством букв в сообщении, расположить эти группы в порядке возрастания числа букв, а внутри каждой группы расположить сообщения в алфавитном порядке и полученную последовательность сообщений пронумеровать. Следовательно, такой источник сообщений является дискретным. Любые два сообщения этого источника, если они не тождественны, отличаются по меньшей мере одной буквой.
Примером непрерывного источника является устройство, передающее результат измерения какой-либо непрерывной величины, скажем атмосферного давления в некотором месте. Если два сообщения такого источника не тождественны, то они могут отличаться друг от друга сколь угодно мало. При этом, как бы мало не отличалось сообщение от сообщения , всегда возможно некоторое сообщение , которое будет отличаться от еще меньше, чем . Такое множество сообщений образует континуум и не может быть пронумеровано.
Однако этот непрерывный источник превратится в дискретный, если наложить на него два ограничения. Во-первых, он должен выдавать сообщение о величине атмосферного давления в определенные, заранее обусловленные, моменты времени. Во-вторых, он должен округлять измеренные значения с определенной точностью (скажем, до 0,01 мм рт. ст.). Легко убедиться, что такой видоизмененный источник оказывается дискретным. В то же время, если указанные моменты времени расположены достаточно часто, а точность приближенного представления достаточно велика, то с точки зрения практики такой дискретный источник нисколько не уступает непрерывным. Тем не менее к дискретизации или квантованию сообщения прибегают далеко не всегда. Так, например, источник, передающий величину звукового давления перед микрофоном (в телефонии или в радиовещании), остается в большинстве случаев непрерывным.
В настоящей работе рассматриваются только сообщения, создаваемые дискретными источниками, которые для краткости называются дискретными сообщениями.
Как дискретные, так и непрерывные источники, можно подразделить на два типа: источники с управляемой скоростью и источники с фиксированной скоростью . В источниках первого типа сообщения хранятся в записанном виде и выдаются по требованиям передающего (кодирующего) устройства. В источниках второго типа сообщения выдаются в некоторые моменты времени, определяемые самим источником и не зависящие от работы передающего устройства.
Примерами источников с управляемой скоростью являются текст телеграммы, подлежащей передаче по телеграфной линии связи, бланк фототелеграммы, перфорированная лента и т. д. Примерами источника с фиксированной скоростью являются многие датчики в телеметрических системах, электронные вычислительные машины, человек, говорящий перед микрофоном, сцена, передаваемая по телевидению, и т. д.
Часто между источником с фиксированной скоростью и передающим устройством включается элемент буферной памяти. Если емкость буферной памяти беспредельно увеличивать, то условия передачи сообщений приближаются к тем, которые имеют место при источниках с управляемой скоростью.
В историческом плане различные виды электросвязи длительный период времени развивались независимо друг от друга. Все виды электросвязи имеют дело с различными по характеру и параметрам электрическими сигналами, поэтому каждый вид в своем развитии ориентировался на создание своих каналов, систем и даже своей сети. Структура сети выбиралась в соответствии с особенностями распределения потоков сообщений, характерных для конкретного вида электросвязи. В результате сформировалось несколько независимых сетей. Средства связи, из которых создавались сети, оказались разрозненными. Уже в начале 1960-х гг. стало ясно, что перспективным направлением развития электросвязи должно стать объединение сетей. В первую очередь требовалось объединить однородные сети внутри каждого вида электросвязи, а затем изолированные сети отдельных видов электросвязи.
Необходимость передачи электрических сигналов в совпадающих направлениях позволила поставить вопрос об объединении отдельных систем передачи в совпадающих направлениях в единую систему передачи. Система передачи - это совокупность технических средств, позволяющая образовать независимые электрические каналы, по которым передаются сигналы электросвязи.
Наконец, одна из важнейших предпосылок, ведущих к слиянию сетей, - сходство функций, выполняемых различными системами коммутации и заключающихся в организации путей передачи сообщений для их доставки от отправителя к получателю.
Все это и вызвало необходимость построения и развития различных сетей электросвязи с учетом перспективы слияния их в единую сеть связи.
Учитывая эти обстоятельства, в конце 1960-х гг. было принято решение о создании в стране Единой автоматизированной сети связи (ЕАСС), которая бы объединила все сети электросвязи независимо от их ведомственной принадлежности.
Создание ЕАСС базировалось на объединении разрозненных и многочисленных мелких сетей в общегосударственные сети каждого вида электросвязи, а затем в единую сеть с целью совместного использования определенных технических средств, и в первую очередь систем передачи и коммутации.
Однако в конце XX века ход развития технического прогресса, в частности, широкое внедрение в сеть связи страны современных телекоммуникационных технологий, а также исторические изменения политической и экономической структуры России, предопределили создание новой концепции построения сети связи.
Взаимоувязанная сеть связи Российской Федерации (ВСС РФ) является частью инфраструктуры страны и представляет собой совокупность сетей, служб и оборудования связи, расположенных и функционирующих на территории страны. Она предназначена для удовлетворения потребностей населения, органов государственной власти и управления, обороны, безопасности, правопорядка, а также пользователей всех категорий в услугах электросвязи.
Все сети связи, входящие в единую сеть электросвязи (ЕСЭ) РФ, можно классифицировать по нескольким признакам (рис. 2.7):
Рис. 2.7 Классификация сетей связи РФ
В техническом плане функционирование ВСС РФ базируется на принципах и структурах, в соответствии с которыми вся сеть связи страны подразделяется на две взаимосвязанные составляющие: первичную сеть и вторичную сеть.
Первичная сеть - это совокупность всех каналов без подразделения их по назначению и видам связи. В состав ее входят линии и каналообразующая аппаратура.
Вторичная сеть состоит из каналов одного назначения (телефонных, телеграфных, вещания, передачи данных, телевидения и др.), образуемых на базе первичной сети. Вторичная сеть включает коммутационные узлы, оконечные пункты и каналы, выделенные на первичной сети.
Помимо принятого разделения сетей ЕСЭ на первичные и вторичные возможно другое двухуровневое разделение, по функциональному назначению: на транспортную сеть и сеть доступа.
Транспортная сеть связи состоит из междугородной и зоновых (региональных) сетей связи. Сеть доступа (абонентская сеть или сеть абонентского доступа) является местной сетью. Транспортная сеть предназначена для передачи высокоскоростных (широкополосных) потоков сообщения и их накопления.
Сеть доступа состоит из абонентских линий (на металлических или оптических кабелях или радиоканалах) с подключенными к ним абонентскими оконечными устройствами местных станций коммутаций, соединяющих их линии передачи и линии передачи к узлам транспортной сети.
Сеть управления электросвязью - специальная сеть, обеспечивающая управление сетями электросвязи и их услугами путем организации взаимосвязи с компонентами различных сетей электросвязи на основе единых интерфейсов и протоколов, стандартизированных Международным Союзом Электросвязи.
Сеть управления электросвязью обеспечивает единое управление цифровыми сетями, входящими в ВСС РФ.
По территориальному признаку и назначению первичные и вторичные сети подразделяются на магистральную (междугородную - для вторичных сетей), внутризоновые (зоновые) и местные сети, а также международные сети.
Магистральные сети связи - технологически сопряженные междугородные сети электросвязи, образуемые между центром Российской Федерации и центрами субъектов Федерации, а также центрами субъектов Федерации между собой.
Зоновые (региональные) сети связи - технологически сопряженные сети электросвязи, образуемые в пределах территории одного или нескольких субъектов Федерации.
Местные сети связи - технологически сопряженные сети электросвязи, образуемые в пределах административной или определенной по иному принципу территорий, не относящиеся к региональным сетям связи. Местные сети подразделяются на городские и сельские.
Магистральные, внутризоновые и часть местных цифровых наложенных первичных сетей являются основой транспортной цифровой сети связи России. Местные и первичные сети на участке «местный узел - оконечное устройство» в соответствии с новой терминологией являются сетью доступа (рис. 2.8).
Рис. 2.8 Принцип построения первичной сети ЕСЭ
Структура первичной сети учитывает административное разделение территории страны. Вся территория России поделена на зоны, совпадающие, как правило, с территорией областей, краев, а иногда - республик.
Каждый канал ЕСЭ обеспечивает передачу сигналов электросвязи.
Служба электросвязи представляет собой организационно-техническую структуру на базе сети связи (или совокупности сетей связи), обеспечивающую обслуживание связью пользователей с целью удовлетворения их потребностей в определенном наборе услуг электросвязи. Различают три вида служб электросвязи: службы речевого обмена, службы документальной электросвязи и службы мультимедиа.
Классификация служб электросвязи представлена на рисунке 2.9.
Рис. 2.9 Службы электросвязи
Традиционные сети связи (телефонные сети общего пользования - ТфОП, сети передачи данных (СПД) характеризуются узкой специализацией. Для каждого вида связи существует отдельная сеть, которая требует технического обслуживания, при этом свободные ресурсы одной сети не могут использоваться другой сетью. Мультисервисная сеть позволяет отказаться от многочисленных наложенных вторичных сетей, обеспечить внедрение новых услуг с различным требованием к объему передаваемой информации и качеству её передачи.
Мультисервисная сеть образует единую информационно-телекоммуникационную структуру, которая поддерживает все виды трафика (данные, голос, видео) и предоставляет все виды услуг (традиционные и новые, базовые и дополнительные) в любой точке, в любое время, в любом наборе и объеме.
К базовым услугам мультисервисной сети относятся традиционные услуги передачи и доступа:
К дополнительным услугам относятся следующие:
Потребность создания мультисервисных сетей диктуется сформировавшимся рынком телекоммуникационных услуг.