СООБЩЕНИЕ, СИГНАЛ И КАНАЛ СВЯЗИ
Электрическая связь предназначена для передачи на расстояние сообщений с помощью электрических сигналов. Превращение сообщения в сигнал состоит из трех операций, которые могут быть независимыми совмещенными: преобразования, кодирования и модуляции.
Преобразование - это перевод неэлектрических величин, определяющих первоначальное сообщение, в электрический сигнал. Например, телефонии переменное звуковое давление, соответствующее звукам речи, преобразуется с помощью микрофона в изменяющиеся электрические колебания. В телевидении при передаче изображения узкий оптический луч сканирует по поверхности передаваемого изображения. В результате отражения сканирующего луча от поверхности свет попадает на фотоэлемент, где преобразуется в соответствующие колебания электрического тока. Как видно из рассмотренных примеров, микрофон и фотоэлемент являются преобразователям и соответствующих переменных величин (звукового давления и светового потока) в электрическую величину (ток или напряжение). Главным общим требованием к таким преобразователям является обеспечение пропорциональности между воздействием и откликом.
В телеграфии для передачи сообщения каждый его знак преобразуется в комбинацию токовых и бестоковых посылок или посылок тока разного направления. Такая комбинация называется кодовой.
Кодирование - это процесс замены передаваемого знака сообщения соответствующими кодовыми комбинациями. Правомерно сказать, что кодирование определяет математическую сторону процесса превращения сообщения в сигнал.
Сообщение, состоящее из отдельных элементов (символов, букв, цифр), называют дискретным. Следует помнить, что передача дискретного сообщения может быть сведена к передаче последовательности чисел. Так, при передаче некоторого слова по буквам передаются не сами буквы, а некоторые символы, которые могут, например, рассматриваться как порядковые номера букв или вообще как некоторые условно приписанные им числа. К этому и сводится любая телеграфная азбука, т.е. телеграфный код.
Код представляет собой набор комбинаций, составленных из различных элементов. Под элементами кода понимаются различные элементарные сигналы, отличающиеся друг от друга. Например, в телеграфии передача сообщений осуществляется импульсами тока, которые в совокупности с паузами образуют двоичный, или бинарный, код. Числа в двоичной системе счисления записываются при помощи двух цифр - 0 и 1.
Код Бодо, применяемый в телеграфии, состоит из пяти элементов и двух позиций. Все комбинации кода Бодо составлены из одинакового числа элементов и имеют одинаковую длительность. Благодаря этому каждый элемент занимает вполне определенное положение во времени, находясь на определенном месте внутри комбинации.
Комбинации кода Бодо составляются пятью элементами каждая, с помощью которых можно передать 32 различных символа (25 = 32). Ниже приведено несколько комбинаций кода Бодо, в которых используется двоичная система. Причем 1 означает посылку тока, а 0 - отсутствие тока, паузу.
Коды бывают несимметричные, в которых символы кодируются не- одинаковым количеством элементов (азбука Морзе), и симметричные — с одинаковым количеством элементов (код Бодо). В вычислительных сетях каждый символ кодируется восемью элементами (одним байтом).
Построение кода определяется числом элементов кода, а не физическими различиями между ними (например, силой тока импульсов). При построении кода учитывают возможности канала связи, кодирующих устройств и соответствующих им средств обратного преобразования - декодирующих устройств.
По способу построения коды делятся на систематические и несистематические. Особенность построения систематических кодов заключается в том, что в них четко разделены часть кода, несущая основную информацию, и часть кода, служащая для обнаружения и исправления ошибок, которая представляет собой контрольную информацию. Систематические коды могут быть построены по детерминированным алгоритмам, в соответствии с которыми можно найти достаточно простые способы выявления этих кодов с обнаружением или исправлением ошибок.
Несистематические коды указанным свойством не обладают и строятся с использованием различных методов комбинирования его элементов. Коды бывают неизбыточные и избыточные. У неизбыточных кодов все возможные кодовые комбинации М используются для передачи смысловой информации. При основании системы счисления К код может быть построен как отображение множества десятичных чисел от нуля до М-1 с числом разрядов п в каждой кодовой комбинации. Например, для М = 4 двоичный неизбыточный код может быть получен как представление чисел 0, 1, 2, 3 двухэлементным двоичным кодом: 00, 01, 10, 11 соответственно. Переход от числа в системе счисления с основанием К к десятичному числу осуществляется по формуле
(1.7)
где п - число элементов в коде или длина кода; К - основание системы счисления кода; аi - значение символа в i-м разряде, причем младшим является разряд, расположенный справа. Следует отметить, что символы кода в линии связи передаются в обратном порядке, т.е. сначала старший разряд и далее остальные.
В общем случае т-элементным неизбыточным кодом в системе счисления с основанием К можно представить М = Кт сообщений. Например, при использовании кода Бодо можно закодировать 25 = 32 символа (сообщения), а в компьютерной технике 28 = 256 символов.
Переход от неизбыточного кода к избыточному при использовании систематических кодов осуществляется добавлением некоторых контрольных позиций, которые можно получить либо с помощью различных логических операций, выполняемых над основными информационными позициями, либо использованием детерминированных алгоритмов, связывающих неизбыточный и избыточный коды. Например, если нужно перейти от неизбыточного кода к простейшему избыточному, то для двоичного кода, рассчитанного на четыре сообщения, отображением которых являются кодовые комбинации 00, 01. 10, 11, достаточно ввести одну контрольную позицию, значение символа на которой будет определяться как сумма значений предшествующих символов по модулю два. Эта логическая операция в двоичной системе определяется равенствами: 00 = 0, 11 = 0, 01 = 1, 10 = 1. Для рассматриваемых сообщений получаем 000, 011, 101, 110. Особенность такого кода заключается в том, что он позволяет обнаруживать любую одиночную ошибку.
Таким образом, отличие неизбыточных кодов от избыточных состоит в том, что из-за отсутствия избыточности они не способны обнаруживать ошибку и поэтому не могут быть использованы для передачи информации по каналам с помехами. Введение избыточности в код обеспечивает повышение помехоустойчивости при передаче информации по реальным каналам связи, а также позволяет обнаруживать и корректировать (исправлять) ошибки. В электросвязи переносчиком информации является энергия сигнала. Изменение определенного параметра сигнала в соответствии с передаваемым сообщением при передаче информации называется модуляцией. Используемые виды модуляции зависят от типа переносчика сигнала и подвергаемых изменению (модулируемых) его параметров.
В телефонной линии связи постоянно присутствует электрический сигнал - несущая, напряжением 60 В для России и 30 В за рубежом. Процесс модуляции состоит в том, что изменения низкочастотного (НЧ) сигнала, преобразованного в электрический сигнал первоначального сообщения, вызывают изменения параметров несущего сигнала. Электрический сигнал распространяется в виде синусоидальных колебаний несущей частоты передатчика. Параметрами такого сигнала являются амплитуда, частота и фаза. Изменяя каждый из перечисленных параметров, получают амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ) модуляции. Таким образом, модуляция - это воздействие на некоторый параметр (изменение параметра) переносчика сигнала в соответствии с законом изменёния первоначального передаваемого сообщения. На рис. 1.2 показаны сообщения и существующие формы сигналов для амплитудной, частотной и фазовой модуляций.
Для передачи на значительные расстояния речевых сигналов, лежащих в низкочастотном (тональном) спектре частот (300—3400 Гц), применяют те или иные виды модуляции.
При амплитудной модуляции гармонического колебания (рис. 1.2) воздействию подвергается амплитуда несущего (высокочастотного (ВЧ)) сигнала, изменяемая во времени в соответствии с изменением передаваемого низкочастотного сигнала:
(1.8)
где и, Uо, wо, jо - мгновенное и амплитудное значения несущего сигнала, частота и начальная фаза соответственно.
Рис. 1.2. Виды модуляций
Сигнал при амплитудной модуляции
(1.9)
или
(1.10)
где DU - предельное изменение амплитуды низкочастотного сигнала; f(t) - функция низкочастотного сигнала во времени (модулирующая функция). Отношение амплитудных величин НЧ и несущего ВЧ сигналов DU/Uо = M - коэффициент модуляции. Во избежание искажений принимают М £ 1. Если DU - f(t) представляет собой низкочастотное гармоническое колебание частотой W и фазой j, то величина амплитудномодулированного сигнала определяется как
(1.11)
При частотной модуляции изменяется частота несущего сигнала в соответствии с изменением уровня передаваемого низкочастотного сигнала:
(1.12)
где Dw - предельное изменение - девиация частоты от модуляции (воздействия) низкочастотным сигналом.
Следует помнить, что с изменением частоты сигнала всегда меняется его фаза и наоборот, т.е. частотная и фазовая модуляции взаимосвязаны (вследствие этого их иногда называют угловой модуляцией).
Сигнал - переносчик информации, имеет стабильную амплитуду, равную
(1.13)
где θ(t) = wо t + jо - мгновенная фаза.
Мгновенное значение частоты этого сигнала определяется как
а фаза колебаний с переменной угловой скоростью -
(1.14)
Вводя обозначение 
получаем значение частотно-модулированного сигнала
(1.15)
Если модулирующая функция f(t) - гармоническое колебание с параметрами W и Y, то
(1.16)
где Dw/W) - индекс модуляции, соответствующий наибольшему отклонению фазы в процессе модуляции.
Фазовая модуляция характеризуется изменением фазы сигнала в соответствии с передаваемым сообщением (см. рис. 1.2):
(1.17)
где Dj - предельное изменение фазы от воздействия низкочастотных сигналов. После подстановки формулы (1.17) в уравнение синусоидальных колебаний (1.8) при jо = 0 получим значение фазомодулированного сигнала
(1.18)
Из сравнения формул (1.15) и (1.18) видно, что если модулирующая (информационная) функция является синусоидальной, то сигналы при частотной и фазовой модуляциях трудноразличимы. При сложной модулирующей функции, изменяющейся во времени, аналитические выражения сигналов частотной и фазовой модуляций различаются легко,
В системах передачи дискретной информации переносчиками сигналов являются последовательности импульсов, длительность которых обычно значительно меньше периода их следования То. Скважность – это отношение длительности периода повторения импульсов к длительности импульса. Чем больше скважность n = То / tо, тем меньше энергия импульсного сигнала по сравнению с энергией непрерывного сигнала (при одинаковых пиковых значениях). Использование временных интервалов между импульсами для размещения в них сигналов других каналов называется передачей с временным разделением каналов.
Для импульсного сигнала
где Uo - амплитуда импульса; f1/(t-to-iTo) - функция, описывающая форму одиночного импульса; to - сдвиг времени относительно выбранного начала отсчета.
Последовательность однополярных прямоугольных импульсов характеризуется, как правило, четырьмя параметрами: Uo, to, To, to.
Импульсная модуляция - процесс изменения параметров импульсной последовательности сигнала-переносчика, Различают амплитудно-, широтно-, фазово- и частотно-импульсную модуляции.
Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) - модуляция, при которой изменяется только амплитуда импульсов - переносчиков информации:
(1.19)
Существует две разновидности амплитудно-импульсной модуляции:
1) амплитуда и форма каждого из импульсов изменяется в соответствии с изменением модулирующей функции (АИМ - 1);
2) форма импульсов остается неизменной, изменяется только их амплитуда (АИМ-2).
В результате воздействия модулирующего сигнала пропорционально его мгновенному значению изменяется лишь длительность импульсов при сохранении всех остальных параметров последовательности импульсов, при этом получается широтно-импульсная модуляция. При широтно-импульсной модуляции могут изменяться: 1) срез и соответственно ширина импульсов, а фронт совпадать с таковыми точками; 2) положение фронта и срез импульсов, за счет чего изменяется и длительность (ширина) импульсов.
Сущность фазово-импульсной модуляции состоит в том, что при воздействии модулирующего сигнала происходит смещение импульсов - переносчиков во времени относительно их немодулированного положения на величину, пропорциональную мгновенному значению сигнала. Ширина импульсов при этом не изменяется.
Демодуляция - процесс выделения низкочастотного (модулирующего) сигнала из высокочастотного (в радиосвязи), т.е. процесс, обратный модуляции. для непрерывной модуляции демодуляция принципиально равнозначна процессу детектирования, состоящего из двух частей: создания низкочастотного сигнала на основе модулированных высокочастотных колебаний, отфильтровывание полезного низкочастотного сигнала от высокочастотных колебаний, для чего используются детекторы и фильтры.
Демодуляция частотно-модулированных колебаний состоит в том, что сначала эти колебания преобразуются в амплитудно-модулированные, а затем они детектируются.
Демодуляция амплитудно-импульсного модулированного сигнала почти не отличается от детектирования амплитудно-модулированного колебания. При демодуляции фазово-импульсная модуляция предварительно преобразуется в амплитудно- или широтно-импульсную модуляцию или же в такую форму, от которой изменяется площадь импульса.
Для определения наилучших условий передачи сигнала необходимо знать единицу его измерения. Сигнал, рассматриваемый как явление во времени, имеет начало и конец. Следовательно, одной из единиц измерения сигнала является его длительность То, которая непосредственно связана с количеством передаваемой информации. Чем больше длительность сигнала, тем на большее время занимается канал связи. Длительность сигнала определяет интервал времени, в пределах которого он передается.
По степени определенности сигналы бывают детерминированными и случайными. Детерминированными называют сигналы, значения которых в любые моменты времени являются известными величинами. Примерами детерминированных сигналов могут служить импульсы известной формы, величины и положения во времени. К таким сигналам относят синусоидальные колебания с известной амплитудой, частотой и фазой.
Случайными (вероятностными) называют сигналы, значения которых в любые моменты времени случайны и представляют собою хаотические функции времени. Такой функцией является, например, последовательность радиоимпульсов на входе радиолокационной системы. Амплитуда случайных импульсов и фаза их высокочастотного заполнения флуктуируют благодаря беспорядочно меняющимся условиям распространения радиоволн. Время прихода импульсов определяется случайным положением цели, обнаруживаемой с помощью радиолокационной системы.
Детерминированные и случайные сигналы разделяются на непрерывные и дискретные. Непрерывный сигнал имеет различные значения уровня на заданном отрезке времени. Дискретный сигнал задается конечным значением уровня в определенный момент времени и определяется длительностью в фиксированные моменты времени.
Случайные параметры сигналов могут быть информативными и неинформативными. Информативные параметры переносят информацию от источника сообщений к получателю. Неинформативные параметры с переносом информации непосредственно не связаны.
Важной характеристикой сигнала является его средняя мощность, характеризующая уровень сигнала. Однако мощность сигнала сама по себе не определяет свойства сигнала как переносчика сведений, так как нельзя пренебречь реальными условиями передачи сигналов, определяемыми наличием помех. В связи с этим уровень сигнала, дБ, целесообразно характеризовать не абсолютной мощностью, а отношением мощности сигнала к мощности помех:
(1.20)
где Рс и Рп, соответственно средние мощности сигнала и помех.
Величина Нс выражает относительный средний уровень сигнала над помехой.
Третьей характеристикой является ширина спектра сигнала Fc.
Изменение длительности, ширины и уровня сигнала можно изобразить в виде отрезков определенной длины, отложенных параллельно трем координатным осям: времени, частоты и уровня. Таким образом, сигнал может быть геометрически представлен как некоторый объем в трехмерном пространстве, определяемый параллелепипедом с ребрами Тс, Fc, Нс (рис. 1.3), где Тс, Fc и Нс - время передачи сигнала, ширина занимаемой полосы частот (полоса пропускания) и уровень сигнала соответственно. Произведение трех параметров сигнала называют его объемом Vc = ТсFcНс.
Ввиду того, что для передачи сигнала требуется канал связи, последний должен характеризоваться аналогичными параметрами. Тогда необходимым условием передачи сигнала объемом Vc по каналу связи емкостью Vк является условие Vк ³ Vc. При этом если отдельные параметры объема сигнала превышают соответствующие параметры емкости канала (например, Fc > Fк), то сигнал будет передан с искажением.
Рис. 1.3. Геометрическое представление сигнала
Известно, что стоимость сооружений связи протяженностью в несколько десятков и сотен километров достаточно велика. Поэтому естественным является стремление к увеличению пропускной способности системы связи. В последние годы для этой цели используются системы передачи, обеспечивающие одновременную передачу по линии нескольких сообщений. При этом каждое сообщение передается по своему каналу связи. Сигналы сообщений всех каналов смешиваются на передающем пункте и поступают в линию. На приемном пункте сигналы снова разделяются и преобразуются в независимые сообщения. Такая связь называется многоканальной.
Систему многоканальной связи можно представить следующей структурной схемой (рис. 1.4). Различные сообщения от одного или нескольких отправителей 1 преобразуются специальными устройствами (преобразователями 2) в электрические сигналы, которым придаются соответствующие признаки кодовым устройством, а затем с помощью передатчиков 2 поступают в линию связи 4.
Рис. 1.4. Схема системы многоканальной связи:
11 - 1п - отправители; 21 - 2п - преобразователи; 31 - 3п - передатчики; 4 - линия связи;
51 - 5п - селекторы (разделители); 61 - 6п - приемники; 71 - 7п - преобразователи;
81 - 8п - получатели; 9 - помехи
Выделение нужного сигнала на приемном пункте из смеси сигналов, поступающих с линии, осуществляется с помощью операции разделения (селекции). На схеме (рис. 1.4) показано подключение к выходу линии связи разделителей (селекторов 5), за которыми включены приемники 6. Селекторы выполнены таким образом, что реагируют только на соответствующие признаки используемых сигналов и не реагируют. на признаки других сообщений. В результате создаются раздельные каналы связи, использующие общую линию связи.
Для передачи информации на расстояние применяют временной, частотный, фазовый, цифровой и комбинированный методы разделения каналов, В системах связи в основном применяют временной, частотный, кодовый и комбинированный методы.
Сущность наиболее часто применяемого в системах связи метода частотного разделения каналов заключается в том, что сигналы передаются различной частоты. А на приемном пункте в качестве селекторов применяются настроенные на эти частоты фильтры, пропускающие сигналы только определенной частоты.
В системах с временным разделением каналов для каждого источника сигналов периодически отводится отдельный отрезок времени длительностью Т. Физическое выделение временных участков (интервалов) производится с помощью коммутаторов (переключателей). Перед передачей информации посылают синхронизирующий сигнал, относительно которого ведется разделение работы каналов во времени.