Радиотехнические системы передачи информации.

Радиотехнические системы передачи информации (сообщения) предназначены для передачи информации на расстояния с помощью электромагнитных колебаний. К ним относятся различные системы связи, радиовещания, телевидения.Характерным для радиотехнических систем любого назначения (связных, телеметрических, вещательных, телевизионных, командных и т.д.) является пространственное разрешение радиопередающего и радиоприемного устройств.

Основной частью радиотехнических систем является радиоканал. Радиоканал включает в себя радиопередающее и радиоприемное устройство и линию связи. Устройство , преобразующее сообщениев сигнал, называют передающим, а устройство, преобразующее принятый сигнал в сообщение, - приемным.

Важной чачстью радиоканала является линия связи, которая оказывает существенное влияние на достоверность принимаемого сообщения. Линией связи называется физическая среда (свободное пространство, волноводы, кабели, волоконнооптические линии и пр.) и совокупность аппаратных средств, используемыхдля передачи сигналов от передатчика к приемнику. В системах радиосвязи линией связи является область пространства, в котором распространяются электромагнитные волны от передатчика к приемнику.

Обобщенная структурная схема радиоканала показана на рис.1. Отметим, что составными частями радиотехнической системы являются также антенно-фидерные, электронно-вычислительные и другие устройства.

Рис.1. Обобщенная структурная схема радиоканала.

Функционирование радиотехнических систем передачи информации основано на свободном распространении электромагнитных колебаний, которые излучаются в окружающее пространство передающими антеннами. К передающим антеннам от радиопередатчика подводится колебание высокой (несущей) частоты, один из параметров которых изменяется (промодулирован) по закону передаваемого сообщения. Распространяясь в определенных направлениях, радиоволны достигают приемной антенны, в которой под их воздействием наводятся токи высокой частоты передаваемой информации.

Аналоговые системы связи. Одним из важных звеньев любой системы связи является источник сообщения, подлежащего передаче. В общем случае исходное сообщение не является электрическим, и поэтому его необходимо преобразовать в электрический (первичный) сигнал с помощью электрофизического преобразователя сигнала (ЭФПС), проще преобразователя сигнала. Так, например, при передаче речи и музыки такое преобразование осуществляется микрофоном, при передаче изображения – передающими телевизионными трубками, в телеграфии – с помощью телеграфного аппарата последовательность элементов сообщения (букв) заменяется последовательностью кодовых символов (0,1 или точка, тире), которая одновременно преобразуется в последовательность электрических импульсов постоянного тока, при передаче информации о каких либо неэлектрических процессах или величинах – специальными датчиками. В последнее время в структурных схемах радиоканала источник сообщения и преобразователь сигнала объединяют в одно звено, называемое источником первичных сообщений.

Передающее устройство включает в себя, кроме преобразователя сигнала, передатчик ( содержащий модулятор, генератор несущей частоты, усилитель мощности) и передающую антенну. Для передачи сообщения сигнал необходимо ввести в несущее высокочастотное электромагнитное колебание. Это осуществляется в модуляторе передатчика. Несущее колебание вырабатывается генератором несущей частоты.

Процесс, в результате которой один или несколько параметров несущего колебания изменяется по закону передаваемого сообщения, называется модуляцией. Модулированное высокочастотное колебание относят к вторичным сигналам и называют радиосигналом.

При передаче сообщения по радиоканалу используют несколько видов модуляции: амплитудную, частотную, фазовую, импульсную, импульсно-кодовую и др. Амплитудная модуляция является наиболее простым и распространенным способом введения передаваемого сообщения (модулирующего сигнала) в высокочастотное несущее колебание. При амплитудной модуляции по закону передаваемого сообщения изменяется только амплитуда несущего колебания при неизменных остальных его параметрах.

Следует заметить, что и природа использует принцип модуляции при издании звука человеком. Голосовыми связками возбуждаются звуки относительно высоких частот (несущее), которые модулируются мускулами губ и полости рта (модулирующий сигнал), делающими не более 10 движений в 1 с. Строение рта таково, что он не может мускулами губ непосредственно издавать звуковые колебания с частотами выше 10 Гц.

Передача и приеммодулированных электромагнитных колебаний (радиосигналов) осуществляется с помощью антенн.

Высокочастотные радиосигналы, улавливаемых приемной антенной, поступают в приемник. Приемная антенна улавливает очень малую долю энергии, излученную передающей антенной, поэтому принятые модулированнные колебания подаются предварительно на избирательный усилитель, который помимо усиления выделяет полезный радиосигнал из совокупности многих радиосигналов и помех, одновременно поступающих на приемную антенну.

Усиление радиосигналов осуществляется и в последующих каскадах приемника. При этом непосредственное усиление сигнала используется крайне редко. Дело в том, что при переходе на прием другой станции требуется перестраивать избирательный усилитель, сохраняя высокую частотную селекцию или избирательность, т.е. выделять полезный сигнал из других сигналов и помех. Это сама по себе нелегкая проблема становится чрезвычайно сложной, когда требуется большое усиление и, следовательно, применения нескольких усилительных каскадов. Задача существенно упрощается, если в приемнике используется преобразователь, в котором разные несущие частоты сигналов, поступающих на вход его смесителя, преобразуется (точнее, переносятся, транспонируется) с помощью вспомогательного генератора (гетеродина) в сигналы с одинаковой, более низкой несущей частотой f_пч, называемой промежуточной.. Тогда дальнейшее усиление информационных сигналов будет происходить на одной частоте без перестройки схем в усилителе промежуточной частоты (УПЧ)., который производит основное усиление в приемнике и улучшает селекцию по частоте полезного сигнала. Такой приемник называется супергетеродинным.

Детектор (от лат. detectio – обнаруживать, выделять) или демодулятор осуществляет процесс, обратный модуляции – выделяет из принятого, усиленного и преобразованного высокочастотного модулированного колебания передаваемый сигнал. Задача демодуляции – по возможности полное восстановление информации, содержащийся в модулирующем сигнале. Поэтому основное требование к детектору – точное воспроизведение формы передаваемого сигнала, чтобы он поступал к получателю неискаженным.

Оконечное устройство приемника преобразует низкочастотный электрический сигнал детектора в форму информации, удобную для получателя. В настоящее время источник первичных сообщений и оконечное устройство в структурную схему системы радиосвязи не включают.

Цифровые (дискретные) системы связи. В цифровых (дискретных, импульсных) системах передачи энергия сигнала излучается не непрерывно (как при гармоническом переносчике), а в виде коротких радиоимпульсов. Это позволяет при той же общей энергии излучения, что и при непрерывном переносчике, увеличить пиковую (максимальную) мощность в соответствующем импульсе и тем самым повысить помехоустойчивость приема. В качестве переносчика первичного сигнала e(t) в импульсных системах связи используют периодическую последовательность видео- и радиоимпульсов.

Рассмотрим обобщенную структурную схему современного радиоканала цифровой системы связи, на которой для наглядности и понимания изображены упрощенные эпюры сигналов в ряде ее специфических точек (рис.1.8).

Рис.1.8. Структурная схема радиоканала цифровой системы связи.

Непрерывные сообщения можно передавать по цифровым системам связи. Для этого их преобразуют в цифровую форму с помощью операций дискретизации по времени, квантования по уровню и кодирования. Под кодированием понимают операцию преобразования дискретных сообщений в последовательность кодовых символов (например, двоичных чисел).

В предающем устройстве цифровой системы радиосвязи кодирование передаваемого сигнала выполняется цифровой микросхемой, называемой кодером. На выходе кодера передаваемый первичный сигнал имеет вид цифрового кода – некую последовательность импульсов («единиц») и пауз («нулей»), обычно имеющих одинаковую длительность.

В модуляторе передатчика несущее колебание модулируется полученной в кодере импульсной последовательностью. Чаще всего в цифровых системах связи применяется так называемая импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). В случае применения ИКМ дискретные значения непрерывного сигнала передаются в виде кодовых комбинаций. При использовании двоичного представления, кодовая комбинация может выражать целое число, равное соответствующему уровню непрерывного сигнала в момент его дискретного отсчета.

Итак, в цифровой системе передачи информации превращение сообщения в радиосигнал осуществляется тремя операциями: преобразованием, кодированием и модуляцией ( в аналоговом двумя – преобразованием и модуляцией). Отметим, что кодирование определяет математическую сторону, а модуляция –физическую сторону превращения сообщения в сигнал. По существу кодирование представляет собой преобразование сообщения в последовательность кодовых символов, а модуляция – преобразование этих символов в сигналы, пригодные для передачи по цифровому каналу. С помощью кодирования и модуляции источник сообщений согласуется с каналом связи.

В приемнике после усиления на радиочастоте, из сигнала промежуточной частоты (принятого вторичного сигнала) с помощью демодулятора извлекается последовательность кодовых символов (первичный сигнал). Затем производится декодирование этих символов в декодере. Декодирование состоит в восстановлении сообщения по принимаемым кодовым символам. С выхода декодера восстановленный аналоговый сигнал поступает к получателю сообщений.

В современных цифровых системах передачи информации используются две группы относительно самостоятельных, совмещенных в отдельные микросхемы, аналого-цифровых устройств – кодеки и модемы. Кодеком называется пара преобразователей кодер-декодер (как правило, это логические устройства), а модемом – пара преобразователей модулятор-демодулятор.

Модемы выполняют определенный набор различных функций и в зависимости от принципов их реализации разделяются на проводные или телефонные модемы, сотовые модемы, пакетные радиомодемы, связные высокочастотные радиомодемы, цифровые модемы, факс-модемы и пр. Проводные модемы включаются в системах связи между телефонной сетью общего пользования и управляющим компъютером. На рис. 1.9 приведена упрощенная структурная схема одного из типов проводных модемов. Подобный модем может работать в дуплексном режиме, если применена четырехпроводная линия связи, или полудуплексном режиме, если используется двухпроводная линия телефонной связи.

В режиме приема данных с линии связи в модеме с помощью корректора устраняются искажения передаваемых сигналов, возникающих чаще всего в результате ограниченной полосы пропускания телефонного канала и неравномерности амплитудно-частотной и нелинейности фазо-частотной характеристик. С выхода корректора сигнал подается на детектор (демодулятор),преобразующий модулированное колебание в напряжение, форма которого воспроизводит низкочастотный передаваемый сигнал аналогового или цифрового вида. В схему модема входит также блок управления. Практически по такой же структурной схеме выполняется связной высокочастотный радиомодем, использующийся в радиоканале системы связи небольшого (менее 1 км) радиуса действия.

Рис.1.9. Структурная схема проводного модема.

Отметим существенное различие между аналоговыми и дискретными системами связи (или радиоканалами). В аналоговых системах любое, даже сколь угодно малое мешающее воздействие на сигнал, вызывающее искажение модулируемого параметра, всегда влечет за собой внесение соответствующей погрешности в передаваемое сообщение. Поэтому абсолютно точное восстановление переданного сообщения в них практически невозможно. В дискретных системах ошибка при передаче сообщений возникает лишь тогда, когда сигнал опознается неправильно, а это возможно только при искажениях, превышающий некоторый оптимальный порог.

Лекция №4

Телевизионные системы

Современная телевизионная (ТВ) система - это совокупность оптических, электронных и радиотехнических устройств, которые принимают и передают на расстояние информацию о пространственно-излучательных характеристиках подвижных цветных объектов.

Изображение объекта преобразуется в электрический сигнал, который передается по каналу связи и в месте приема преобразуется в оптическое изображение (Рис. 8.32).

Рис. 8.32. Структурная схема системы телевизионного вещания

Упрощенная схема одного из типов передающих трубок (видикона) приведена на Рис. 8.33. В стеклянном вакуумном баллоне трубки расположены два электрода - электронный прожектор и мишень. Прожектор создает электронный луч, направленный в сторону мишени. Поперечное сечение луча формируется фокусирующей системой ФС. Направление луча, определяющее место его встречи с мишенью, задается отклоняющей системой ОС. Источник питания П, прожектор, электронный луч, мишень и нагрузка R_Н образуют электрическую цепь. Мишень имеет два слоя. Первый является прозрачным для света и обладает постоянной электропроводимостью. Второй, обращенный к прожектору, изготавливается из вещества, обладающего внутренним фотоэффектом. Движущееся изображение проецируется на мишень при помощи объектива. При этом отдельные участки мишени будут освещены по-разному, а потому вследствие внутреннего фотоэффекта будут иметь разную электропроводность. Ток в цепи будет пропорционален электропроводности участка мишени, которого в данный момент касается электронный луч. Отклоняющая система трубки обеспечивает безинерционное перемещение электронного луча по горизонтали и вертикали. Тем самым обеспечивается последовательное преобразование лучистой энергии, отраженной от участков подвижного изображения, в сигнал, который принято называть видеосигналом.

Рис. 8.33. Передающая телевизионная трубка (видикон)

Аналогично видикону работает и трехкомпонентная цветная передающая трубка (ЦПТ). Световой поток от передаваемой сцены светоразделительной оптикой (СРО) делится на 3 основные компоненты. Трехкомпонентная ЦПТ преобразует уровни световых интенсивностей каждой компоненты в соответствующие уровни электрических сигналов.

Для передачи по каналу кодирующее устройство формирует сигнал яркости U_Y и два цветоразностных сигнала U_R-Y и U_В-Y. В целях поддержания синхронизма развертки изображения в канал связи передаются сигналы синхронизации U_СИ.

Декодирующее устройство восстанавливает исходные сигналы и формирует сигнал развертки, которые синтезируют передаваемую сцену на экране телевизионной трубки.

Упрощенная схема, поясняющая устройство приемной телевизионной трубки (кинескопа), приведена на Рис. 8.34. Слой люминофора нанесен на внутреннюю поверхность широкой части стеклянного баллона. Электронный луч создается прожектором, формируется и ускоряется специальными электродами (на рисунке не показаны). Интенсивностью электронного луча управляет видеосигнал. Луч направляется на люминофор и высвечивает поэлементно строку за строкой. Движение луча по горизонтали и вертикали задается отклоняющей системой (ОС).

Рис. 8.34. Приемная телевизионная трубка (кинескоп)

Поскольку интенсивность луча изменяется в соответствии с изменением сигнала, яркость свечения каждой строки будет изменяться. Ввиду большой скорости перемещения луча по строкам и определенной инерционности зрения человек наблюдает на экране цельное оптическое изображение. Принцип работы цветного кинескопа аналогичен рассмотренному. Для передачи каждого из трех цветов применяются три отдельные электронные пушки.

В ТВ под кадром понимают совокупность элементов, на которые разбивается изображение. Геометрическое место последовательно передаваемых элементов в кадре называют телевизионным растром. В ТВ системах растр строится по принципу линейно-строчной развертки.

На время обратного хода луча в полном ТВ сигнале вводятся гасящие импульсы, в пределах которого передается синхронизирующая информация.

Параметры полного ТВ сигнала определяются свойствами зрения:

угол разрешения зрения 1,5..2';
число градаций яркости 70..90;
критическая частота мерцаний 48..50 Гц;
трехкомпонентная теория зрения. В соответствии с данной теорией любой цвет может быть представлен в виде композиции красного (R - red), зеленого (G - green) и синего (B - blue). Чувствительность человеческого глаза данным цветам различна. Сигнал яркости (используемый в совместимых цветных ТВ системах) может быть получен как U_Y=0.3U_R+0.59U_G+0.11U_B;
более низкая разрешающая способность для цветных элементов - в 4 раза меньше, чем к изменению яркости (мелкие цветные элементы воспринимаются как черно-белые).

Наибольший объем информации содержит сигнал яркости и, в основном, определяет полосу ТВ сигнала. Для передачи цветоразностных сигналов требуется полоса примерно в 4 раза уже, чем яркостного сигнала.

Для сокращения полосы ТВ сигнала применяют чересстрочную развертку, при которой полный кадр изображения передается и воспроизводится за два поля. В первом поле развертываются нечетные строки растра, во втором - четные. Два поля образуют один кадр с полной четкостью.

В РФ и Европе частота полей принята 50 Гц, в США - 60 Гц.

Рассмотрим характеристики существующих телевизионных систем.

Система NTSC(National Television System Committe). Одновременная совместимая система цветного ТВ, в которой передается яркостной сигнал и расположенная в пределах его спектра поднесущая, квадратурно модулированная двумя цветоразностными сигналами. В приемнике осуществляется синхронное детектирование цветоразностных сигналов, для чего в пределах гасящего строчного импульса передается частота поднесущего колебания с опорной фазой.

Европейский вариант NTSC: число строк 525, частота полей 60 Гц, поднесущая цветности 4.42 МГц, ширина полосы 2´1.3 МГц, несущая звука 6.5 МГц. Американский вариант NTSC: число строк 525, частота полей 60 Гц, поднесущая цветности 3.58 МГц, ширина полосы 1.3 и 0.5 МГц, несущая звука 4.5 МГц.

Система PAL(Phase Alternated Line). Квазисмешанная совместимая система цветного ТВ с квадратурной модуляцией поднесущей. Фаза одной из квадратурных компонент поднесущей переключается на 180° от строки к строке и сигналы цветности соседних строк в приемнике суммируются.

Основные характеристики системы PAL: число строк 525, частота полей 60 Гц, поднесущая цветности 4.433 618 МГц, ширина полосы 2´ 1.3 МГц, несущая звука 4.5 МГц.

Система SECAM. Квазисмешанная совместимая система цветного ТВ. Поднесущие, расположенные в спектре яркостного сигнала, модулируются по частоте двумя чередующимися от строки к строке цветоразностными сигналами. В приемнике цветоразностные сигналы для каждой строки восстанавливаются сложением с использованием линии задержки.

В системе SECAM сигналы цветности чередуются с частотой строк, т.е. цветовая четкость хуже в 2 раза. Однако это не ухудшает цветовосприятия. Основные характеристики системы SECAM: число строк 625, частота полей 50 Гц, поднесущая цветности B-Y 4.25 МГц ± 230 кГц, R-Y 4.406 МГц ± 280 кГц, несущая звука 6.5 МГц.

Цифровое телевидение. Основные характеристики цифрового ТВ сигнала нормированы МСЭ-Р для 525- и 625-строчных систем. Преобразование аналогового сигнала цветного ТВ осуществляется с частотой дискретизации яркостного сигнала 13.5 МГц и цветоразностных - 6.75 МГц. Это соотношение частот дискретизации обозначается 4:2:2. Для более сложных процессов обработки предусмотрен стандарт 4:4:4. Скорость передачи цифрового ТВ сигнала даже при использовании стандарта 4:2:2 получается высокой и составляет 216 Мбит/с.

Методами сжатия видеоданных удается снизить скорость передачи до 4% от исходной. Различными организациями проводятся работы по стандартизации методов сжатия. В настоящее время разработаны следующие стандарты:

Indeo (Intel Video) - разработан фирмой Intel;
JPEG - разработан группой экспертов в области фотографии Joint Photograthic Experts Group для неподвижных изображений;
MPEG - разработан группой экспертов в области движущихся объектов Motion Picture Experts Group для подвижных изображений. Например, видеокадр в стандарте NTSC формата 512´ 400 точек 24 разряда на точку с первоначального размера 22 Мбайт может быть сжат до 0,45..17 Мбайт. В настоящее время широко применяется вторая версия стандарта.

К перспективным системам телевидения можно отнести телевидение высокой четкости и многопрограммное цифровое телевидение.

ТВ высокой четкости (ТВЧ). ТВЧ предполагает изменение формата изображения от 4:3 к 16:9 и увеличение числа строк свыше 1000. В Японии разработана и введена в эксплуатацию в 1989 году система 1125 строк, 60 полей. В рамках ЕС разработана система 1250 строк, 50 полей.

Передача полноформатного сигнала ТВЧ цифровыми методами (1024´ 768, 32 бита, 30 кадров/с) требует скорости 755 Мбит/с.

Многопрограммное цифровое ТВ (МПТВ-6-7-8). МПТВ предполагает передачу по стандартным каналам сжатых цифровых сигналов нескольких ТВ программ вместо одной программы стандартного ТВ или ТВЧ. В настоящее время удается передать от 4 до 10 ТВ программ в одном стандартном ТВ канале.

Главная особенность современных телевизоров - многофункциональность. К этим телевизорам можно подключать видеомагнитофон, персональный компьютер, различные специальные приставки. Созданы телевизоры с плоским экраном, которые можно повесить на стену, как картину, и проекционные телевизоры с большим экраном площадью сотни квадратных метров для коллективного просмотра передач. Разработаны телевизоры со стереоскопическим изображением, карманные телевизоры со сверхмалым экраном, а также телеприемники, на экранах которых будут приниматься одновременно до шести телеканалов.

Цифровая техника позволяет ввести в запоминающее устройство телевизора программу на несколько дней, чтобы утром телевизор разбудил, включил интересующую зрителя программу, автоматически записал на видеомагнитофон нужную передачу. Через системы «Видеотекст», «Телетекст» и прочие уже можно запросить из информационного центра и увидеть на экране необходимую информацию: расписание самолетов, синоптическую карту с прогнозом погоды, сведения о новинках, поступающих в продажу.