На начальную страницу    В начало конспекта    Назад        Вперед

Лекция 2. Первичные сигналы связи и принципы построения каналов
    Современные системы связи предназначены для передачи разнообразнейших видов сообщений: телефонных, телеграфных, факсимильных, телевизионного и звукового вещания. В последнее время значительно расширились различные виды сигналов данных, предназначенных для связи между компьютерами или терминалами, для систем телесигнализации, теле-управления и прочее.
Очевидно, что характеристики систем связи во многом определяются характеристиками передаваемых сигналов. Рассмотрим  два основных первичных сигнала - телефонный и телевизионный. Все остальные сигналы можно считать в той или иной степени производными от них.
Телефонный сигнал
    Человеческая речь представляет собой случайный процесс с полосой частот от 80 до 12000 Гц. Однако форманты, определяющие разборчивость речи, расположены, в основном, в полосе частот 300-3400 Гц и поэтому в целях повышения экономических показателей Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии (МККТТ),  который теперь получил название Международный союз электросвязи (МСЭ-Т) принял для отдельных телефонных каналов такую эффективно передаваемую полосу частот. Качество телефонного сигнала при этом получается достаточно высоким - разборчивость слогов составляет примерно 90 %, а разборчивость фраз достигает 99%. Для различных специальных каналов (каналы служебной связи, локальные  и некоторые военные системы) может использоваться полоса 300-2700 Гц.
    Телефонный сигнал получается путем преобразования звуковых волн, образующихся при разговоре, в электрический сигнал при помощи микрофона.
    В 30-х годах ХХ в. в различных странах мира (Великобритания, Франция, Германия, Япония, США и пр.) проводились измерения средней мощности телефонного сообщения с целью установления единого стандарта и была принята рекомендация МККТТ на величину средней мощности  рk = 32 мкВт (-15 дБм).
    В это время проводилась аналогичная работа и в СССР, которая закончилась принятием отечественного стандарта, при котором рекомендованное значение  рk = 50 мкВт (-13 дБм). Увеличение мощности в телефонном канале по сравнению с международными нормами объяснялось несколькими причинами, важнейшей из которых можно отметить намерение уплотнять каждый телефонный канал телеграфными сообщениями в полосе частот до 300 Гц.
Как правило, отдельные телефонные каналы объединяются в общий (групповой) сигнал, который и передается по системам связи. Операция объединения каналов называется уплотнением, которое может быть как  частотным, так и временным. В данном лабораторном курсе будем изучать в основном частот-ное уплотнение.
При частотном уплотнении многоканальный сигнал представляет собой сумму преобразованных по частоте отдельных телефонных сообщений. Общий принцип частотного уплотнения показан на рис.1.1.

Здесь сигналы отдельных телефонных каналов, занимающие полосу частот 0.3-3.4 кГц, поступают на амплитудные модуляторы (АМ1, АМ2, и т.д.), где проводится модуляция поднесущих частот fн1, fн2,....,fнN. Поднесущие частоты отличаются друг от друга на величину, исключающую возможность наложения спек-тров отдельных каналов друг на друга. Обычно разница по час-тоте составляет 4 кГц.  Амплитудные модуляторы строятся по балансной схеме и поэтому спектры сигналов на выходах со-держат только боковые полосы частот с подавленной несущей. Одна из боковых полос каждого канала фильтруется и получен-ные сигналы объединяются в общий многоканальный сигнал. Таким образом строятся двенадцатиканальные первичные группы. Для получения большего количества каналов, первичные группы объединяются методом частотного уплотнения во вто-ричные шестидесятиканальные группы (5 первичных групп), вторичные группы объединяются в третичные трехсотканальные (5 вторичных групп) и т.д., образуя групповой сигнал в тысячи телефонных сообщений.
На приемном конце линии связи устанавливается аппаратура разделения каналов, где телефонные сигналы отделяются фильтрами, детектируются и поступают к абонентам. Спектр многоканального сигнала состоит из множества гармонических составляющих отдельных сообщений, являющихся некоррели-рованными случайными процессами При числе каналов N>240 можно считать, что многоканальный сигнал является шумопо-добным процессом с нормальным (гауссовским) распределени-ем случайных величин (таким распределением обладает белый шум).
Примерная форма напряжения сигнала показана на рис.1.2.

Рис.2.2

 Из рисунка видно, что в некоторые моменты времени амплитуда сигнала может достигать весьма больших величин (для белого шума - бесконечно больших).
   На прохождение каких амплитуд необходимо рассчитывать систему связи? Пиковым (квазипиковым) напряжением сигнала принято считать такое. которое может быть превышено в тече-ние определенного времени. Для высококачественных магистральных линий связи это время соответствует 0.1% и система связи должна обеспечить передачу квазипикового значения напряжения сигнала Uпик(0.1%). Для низкокачественных систем квазипиковое напряжение определяется при времени превышения 1%.
Отношение пикового и эффективного значений напряжений называется пик-фактором, который определяется по формулам:
 ,
 , дБ.

График зависимости пик-фактора от числа каналов показан на рис.1.3.

Рис.2.3

Средняя мощность многоканального сообщения складывает-ся из мощностей отдельных каналов (pk).
Следовательно, при условии, что все каналы стандартны,
Рср = N pk, мВт,
 уровень средней мощности в децибеллах
Рср = pk + 10lgN,
где:
 для отечественных данных    pk = -13 дБм (50 мкВт),
а для данных МСЭ - Т     pk = -15 дБм (32 мкВт).
Таким образом, основные параметры группового сигнала следующие:
нижняя (F1) и верхняя (F2) частоты;
эффективное (среднее) и пиковое значение напряжений (Uэф и Uпик);
средняя и пиковая мощности (Рср и Рпик);
пик-фактор.

Наиболее близким к многоканальному сигналу процессом является белый шум. Как показано в [7] белый шум может служить удовлетворительной моделью многоканального сигнала при N > 240 и на практике применяется для испытаний и настройки систем связи с учетом поправочных коэффициентов.
 
 

Телевизионный сигнал
   Телевизионный сигнал представляет собой совокупность видеосигнала и сигнала звукового сопровождения. Сам видеосигнал состоит из яркостного сигнала и специальных сигналов синхронизации и гашения. В цветном телевидении еще присутствуют сигналы цветности и цветовой синхронизации.
   Известно, что в вещательном телевидении изображение передается  кадрами, следующими с частотой 25 Гц. Каждый кадр состоит из отдельных строк, подобно книжной странице. Информация, содержащаяся в каждой строке, передается последовательно с частотой, которая определяется стандартом на телевизионный сигнал. В частности для отечественного стандарта частота строк равна 15625 Гц. На рис. 2.1 показан принцип формирования сигнала одной телевизионной строки в черно-белом варианте. Яркость каждого элемента изображения определяется амплитудой сигнала в пределах от уровня черного до уровня белого. Расположение элемента изображения на экране телевизора в строке зависит от временного сдвига его относительно начала строки.
   Для синхронизации развертки изображения в передающей камере и на экране телевизионного приемника используются синхроимпульсы по строкам и по кадрам, а для гашения луча кинескопа при возврате электронного луча к началу строки или кадра - соответствующие гасящие импульсы.
   На рис. 2.2 показан полный вид телевизионного сигнала. Обратите внимание, что кадровые импульсы синхронизации и гашения содержат врезки строчной частоты, чтобы за время об-ратного хода луча в начало кадра не нарушалась строчная син-хронизация. Стандартная частота смены кадров, равная 25 Гц, приводит к мельканию изображения на экране телевизора. По-этому в телевидении принята чересстрочная развертка. При этом каждый кадр разбивается на два полукадра. Один содер-жит четные строки, а другой - нечетные. Полукадры передаются последовательно друг за другом и поэтому частота мельканий увеличивается в 2 раза (50 Гц) и незаметна для глаза. Для по-лучения устойчивой чересстрочной развертки перед и после кадрового синхроимпульса располагаются уравнивающие им-пульсы двойной строчной частоты.
 

Рис. 2.1

   В цветном телевидении в полный сигнал добавляются сигналы цветности и цветовой синхронизации. Сигналы цветности передаются на поднесущих частотах, расположенных вблизи частоты 4 Мгц. В разных телевизионных стандартах передача сигналов цветности ведется с разными видами модуляции. В частности, в системе СЕКАМ используется частотная модуляция двух поднесущих.
   Сигналы цветовой синхронизации передаются во время об-ратного хода луча по кадрам. На строчных гасящих импульсах помещаются пакеты сигналов опорной фазы для поднесущих частот. Вид телевизионной строки для цветного телевидения показан на рис.2.3.
 

    Характерной особенностью видеосигнала является широкий спектр, составляющий несколько Мгц. В отечественном стандарте видеосигнал занимает спектр частот 0 - 6 Мгц. Постоянная составляющая сигнала передает информацию о средней освещенности передаваемого сюжета.
Верхняя частота спектра определяет четкость телевизионного изображения (передачу мелких деталей). Тедевизионный видеосигнал несимметричен благодаря наличию импульсов синхронизации и гашения, основная энергия которых сосредоточена в полосе до 1.5 Мгц. Поэтому огибающая амплитуд спектра видеосигнала имеет подъем на низких частотах, как показано на рис. 2.4. Передача такого спектра по системе связи неэффективна, так как синхросигналы несут информацию только о своем присутствии, загружая систему связи. Поэтому обычно в сигнал вводятся предыскажения, которые выравнивают спектр.
    Полный сигнал телевидения помимо видеосигнала должен содержать и сигналы звукового сопровождения. Согласно нормам спектр сигнала звукового сопровождения должен составлять от 50 Гц до 10-15 кГц. Существуют три основных способа передачи сигналов звукового сопровождения:
·  по отдельному стволу системы связи;
·  совместная передача с видеосигналом методом временного уплотнения;
·  совместная передача с видеосигналом методом частотного уплотнения.
 

Рис.2.4

   Последний способ применяется наиболее часто. При этом сигнал звукового сопровождения передается на поднесущей частоте, расположенной выше верхней частоты видеосигнала. При передаче по системе связи в отечественном стандарте поднесущая частота равна 8 Мгц.
 

   На рис. 2.5 показан принцип объединения и разделения сигналов при частотном уплотнении и упрощенный вид суммарного спектра полного сигнала. Обычно в этом спектре еще присутствуют специальные пилот-сигналы, предназначенные для целей контроля за работой системы связи.
 
 

   В этом разделе необходимо изучить те характеристики и особенности первичных сигналов (телефонных,
телевизионных и пр.), которые определяют специфические требования к линиям связи:

     уровни передачи,
     полосы частот,
     статистические свойства.

    Изучите особенности организации телефонных каналов, обратив внимание на функционирование
дуплексных линий связи.
    В телевизионном канале передаются, как минимум, два сигнала - сигнал изображения и сигнал звука.
Передача может осуществляется несколькими методами, но наибольшее распространение в аналоговом
телевидении получил метод передачи сигнала звука на поднесущей частоте, располагающейся выше верхней
частоты видеосигнала. Как известно, верхняя частоты видеосигнала для отечественного стандарта составляет
Аналоговые многоканальные сигналы и цифровые методы работы
Для передачи по системам связи сигналов многих пользователей широко применяется метод частотного разделения или уплотнения каналов. Метод заключается в переносе сигнала каждого канала по оси частот при помощи индивидуальной несущей. При этом каналы располагаются в не перекрывающихся полосах частот (по 4 кГц). Общее количество каналов, объединяемых таким образом, может составлять сотни и тысячи, при суммарном спектре в единицы и десятки мегагерц.
    Другим методом разделения каналов является временное разделение (ВРК), когда информация каждого канала переда-ется дискретными отсчетами поочередно. Дискретизация сигналов (или представление непрерывных сигналов отдельными точками) проводится по теореме Котельникова.

Теорема Котельникова

Сигнал с ограниченным спектром (Fмакс) полностью определяется своими отсчетами, следующими с частотой (Fд), по крайней мере, в два раза большей верхней частоты сигнала.     К примеру, Fмакс для телефонного канала составляет 3.4 кГц. Следовательно, ТЛФ сигнал можно передать отдельными значениями, следующими с частотой 6.8 кГц и выше (принято стандартное значение частоты дискретизации в ТЛФ канале 8 кГц)..
    При временном разделении сигналов отсчеты отдельных  каналов передаются поочередно. Количество каналов зависит от длительности каждого отсчета, защитного промежутка времени между отсчетами разных каналов и видом импульсной модуляции. Практически, в аналоговых системах связи, количество каналов при ВРК не превышает 48.
    В современной технике связи наметился глобальный переход на цифровые технологии. При этом происходит преобразование первичных сигналов в цифровой вид. Процесс получения цифровых сигналов состоит из двух этапов:

· дискретизация сигналов по теореме Котельникова,
· квантование сигналов.

    Квантование сигналов заключается в преобразовании амплитуд отдельных дискретных значений в стандартные квантованные величины, которым присвоены индивидуальные коды в двоичной системе единиц. Последовательность двоичных чисел (которые называются кодовыми группами) и образует цифровой сигнал.
    При преобразовании сигналов в цифровой вид возникают искажения, называемые «шумы квантования». Объясняются они несоответствием действительных амплитуд сигналов и значений квантованных уровней. Для уменьшения шумов квантова-ния нужно увеличивать число уровней квантования. В современной связи, чаще всего, применяется 256 уровней, что соответствует восьмиразрядному коду.
    Цифровые сигналы занимают значительно большие полосы частот, чем аналоговые. К примеру, скорость цифрового потока одного стандартного телефонного канала составляет 64 кбит/c (тактовая частота - 64 кГц). Следовательно, в равноценных полосах частот можно передать значительно меньше цифровых каналов, чем аналоговых, что экономически невыгодно. Однако, развитие современных технологий и возможности высокоскоростных методов обработки информации, позволили создать эффективные системы сжатия цифровых сигналов. К примеру, системы типа MPEG-2 сжимают цифровые телевизионные сигналы в десятки раз, что существенно улучшает экономические показатели цифровых устройств и делает аналоговые структуры неконкурентоспособными.
    Для передачи информации по системам связи цифровые сигналы разных пользователей объединяются в транспортные потоки методом временного разделения каналов. Прежние системы объединения использовали плезиохронную цифровую иерархию (PDH). К настоящему времени PDH стала тормозом для дальнейшего развития высокоскоростных цифровых телекоммуникаций. Поэтому, в последнее десятилетие, происходит переход на синхронную транспортную иерархию (SDH).


Строго говоря это значение средней мощности в активном ТЛФ канале в точке с нулевым относительным уровнем (дБм0)
Хостинг от uCoz