В СИСТЕМІ ЕЛЕКТРОЗВ'ЯЗКУ

ЧАСТИНА 1. СИСТЕМИ ЕЛЕКТРОЗВ'ЯЗКУ. ПЕРЕДАВАННЯ ІНФОРМАЦІЇ

РОЗДІЛ 1. ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ТА ВИЗНАЧЕННЯ

В СИСТЕМІ ЕЛЕКТРОЗВ'ЯЗКУ

1.1 ІНФОРМАЦІЯ, ПОВІДОМЛЕННЯ, СИГНАЛИ

Під системою електрозв'язку розуміють сукупність технічних засобів і середовища поширення сигналів, що забезпечують передавання повідом­лень від джерела до споживача (або споживачів). Для задоволення вимог сучасного суспільства вже створено сотні систем електрозв'язку різного призначення та число їх продовжує зростати. Всі вони потрібні для обміну інформацією.

Таким чином, для характеристики систем електрозв'язку використову­ють поняття: інформація, повідомлення, сигнал, які мають багато спільного й інколи використовуються як синоніми. Але їх потрібно розрізняти для пра­вильного розуміння процесів передавання в системах зв'язку.

У широкому значенні інформація (від латинського information - роз'яснення, висловлювання) — це нові відомості (тобто новини) про ото­чуючий нас світ, які ми одержуємо в результаті взаємодії з ним. Інформація - одна з важливих категорій природознавства нарівні з речовиною, енергією, полем. Поняттями "інформація", "інформативність" користувалися задовго до того, як для них було встановлено чіткі визначення.

Можна виділити три основні види інформації в суспільстві: особисту, спеціальну та масову.

Особиста інформація торкається тих чи інших аспектів особистого життя людини. До спеціальної інформації належить науково-технічна, ділова, виробнича, економічна та ін. Масова інформація призначена для великої групи людей і розповсюджується засобами масової інформації: газети, журнали, радіо, телебачення.

Інформація в будь-якій формі є об'єктом зберігання, передавання та пе­ретворення. У теорії та техніці зв'язку в першу чергу цікавляться властивос­тями інформації при її передаванні і під інформацією розуміють сукупність відомостей про явища, випадки, факти, які раніше не були відомі споживачу, тобто є для нього новинами.

Повідомлення - форма подання інформації. Це умовні знаки, за допомо­гою яких ми одержуємо ті чи інші новини (інформацію). Наприклад, про хід футбольної зустрічі можна довідатись з розповіді очевидця (усне повідом­лення) або прочитати в газеті (письмове повідомлення). Під час передавання телеграми повідомленням є текст у вигляді послідовності різних букв та знаків; під час розмови - це послідовність звуків; під час телевізійних пере­дач - зміна яскравості та кольоровості елементів зображення. Але повідом­лення в такому вигляді не можуть бути передані в системі електрозв'язку, оскільки вони, як правило, мають неелектричну природу і тому перетворюють­ся в сигнал.

Сигнал (від латинського signum - знак) - процес зміни за часом фізично­го стану якогось об'єкта, який слугує для відображення, реєстрації чи пере­давання повідомлень. Сигнал - це матеріальний переносник (носій) повідом­лень. У сучасній техніці використовуються електричні, електромагнітні, світлові, ультразвукові та інші переносники. Взагалі, для передавання пові­домлень необхідно застосовувати такий переносник, який може найкраще подолати відстань від джерела до споживача.

У системах електрозв'язку таким фізичним процесом, що використову­ється для передавання повідомлень, є, як правило, змінний електричний струм, електромагнітне поле, світлові хвилі. І це не випадково. По-перше, швидкість поширення в просторі перерахованих вище переносників набли­жається до граничної швидкості переміщення в просторі будь-яких фізичних процесів (швидкості світла у вакуумі - 3·10⁸ м/с); по-друге, за допомогою їх можна передавати величезну кількість інформації.

Джерело та одержувач інформації. Джерелом інформації є фізичний об'єкт чи пристрій, який формує на своєму виході конкретне повідомлення. Одержувач цього повідомлення і є споживачем інформації. Раніше інформа­ційний обмін у системах зв'язку здійснювався лише між людьми. Нині у зв'язку з автоматизацією виробництва та керування видають та приймають інформацію зроблені людьми різноманітні автомати, обчислювальні машини, дистанційно керовані пристрої тощо.

У загальному випадку повідомлення можуть бути функціями часу (мова, музика, рухоме зображення), чи не бути такими (фото, текст, малюнок). На рис. 1.1 сформовані джерелом повідомлення позначено а, і при цьому вважа­ється, що повідомлення на виході джерела завжди є точними, тобто позбав­лені завад. А ось повідомлення, які надходять і до споживача, можуть відріз­нятись від а, через завади в каналі і тому їх позначають .

При великій різноманітності всі повідомлення за характером створення чітко поділяються на дві групи - дискретні та неперервні. Неперервні пові­домлення приймають довільні миттєві значення в деякому інтервалі. До таких повідомлень можна віднести мову, музику, малюнок. Скінченне число можливих миттєвих значень - характерна ознака дискретного повідомлення. Типовий приклад дискретного повідомлення - подання інформації у вигляді букв алфавіту.

Перетворення повідомлення в електричний сигнал. Це перетворення здійснюється за допомогою електричних чи електромеханічних пристроїв. Вони сприймають неелектричні повідомлення і видають їх у вигляді елект­ричної величини - змінних за часом напруги чи струму, їх названо первин­ними перетворювачами, а вихідний сигнал - первинним електричним сигна­лом (чи, простіше, первинним сигналом).

Під час передавання мови, музики первинне перетворення здійснюється мікрофоном, зображення (телебачення) - за допомогою передавальних трубок (наприклад, суперортикону). Букви тексту перетворюються в стан­дартні електричні сигнали (наприклад, імпульси та паузи різної тривалості в азбуці Морзе), тобто здійснюється кодування повідомлення.

Лінії зв'язку. Під лінією зв'язку розуміють сукупність фізичних елект­ричних провідників, що мають спільне середовище поширення і використо­вуються для передавання електричних сигналів від передавача до приймача. Такими фізичними електричними провідниками, що сполучають передавач та приймач, можуть бути пара дротів, коаксіальний кабель, ланцюжок радіо­релейних станцій, частина простору між передавальною та приймальною антенами.

Для кожного типу ліній зв'язку є сигнали, що найбільш ефективно по­ширюються нею. Наприклад, проводовою лінією найбільш легко проходить постійний та змінний струми невисоких частот (не більше кількох десятків кілогерц), радіолінією ефективно поширюються електромагнітні коливання високих частот (від сотень кілогерц до десятків тисяч мегагерц), в оптичних кабелях - світлові хвилі.

При проходженні лінією зв'язку електричні сигнали, по-перше, значно зменшуються (ослаблюються), по-друге, зазнають впливу сторонніх елект­ромагнітних коливань - завад. Антена приймача, наприклад, сприймає дуже малу частину енергії, що випромінюється антеною передавача. Завади ж в антені приймача часто набагато більші за корисний сигнал. Отже, на виході лінії зв'язку буде суміш прийнятого сигналу і завади, яку позначено .

Передавач. Первинні сигнали, як правило, не можна безпосередньо пе­редавати лінією зв'язку. І не тому, що вони часто малого рівня. Більш суттє­вою є та обставина, що первинні сигнали низькочастотні, а в лінії зв'язку, як правило, ефективно поширюються високочастотні коливання. Для пого­дження первинних сигналів з лінією зв'язку використовується пристрій, який називають передавачем. У ньому здійснюється перетворення первинних сигналів у сигнали, зручні для передавання в лінії зв'язку (за формою, потужністю, частотою і т.д.). У найпростішому випадку передавач може бути підсилювачем первинних сигналів або тільки фільтром, який обмежує смугу частот сигналу. У більшості випадків передавач - генератор переносника (носія), модулятор і підсилювач. Процес модуляції полягає в керуванні параметрами переносника первинним сигналом . На виході передавача одержуємо модульований сигнал . Модульовані сигнали найчастіше використовуються в електрозв'язку.

Приймач. З назви та місця включення в структурній схемі на рис. 1.1 випливає, що цей пристрій виконує приймання сигналу з лінії і відновлює первинний сигнал. Але поняття "приймання" досить широке, тому що відно­влення первинного сигналу в приймачі здійснюється із суміші сигналу і завади. Тому одна з головних функцій приймача - боротьба із завадами.

Перетворення електричного сигналу в повідомлення. Зворотне пере­творення прийнятого первинного сигналу у повідомлення здійснюється також за допомогою електричних чи електромеханічних пристроїв, наприклад, телефону для мови і кінескопа для телевізійного сигналу. Потрібен такий перетворювач, вихідне повідомлення якого необхідне споживачу. Так, наприк­лад, під час передавання музики прийнятий первинний сигнал перетворюється у звукові коливання, якщо одержувачем є людина. Але якщо потрібно здійснити магнітний запис, то первинний сигнал перетворюється в сигнал, зручний для запису на магнітній стрічці. Основна вимога до цих дій - точність перетворення.

Джерело і споживача інформації часто називають абонентами системи зв'язку. Перетворювачі повідомлення в первинний сигнал та первинного сигналу в повідомлення, як правило, стоять біля джерела і споживача, тому їх називають абонентськими пристроями або терміналами.

Канал електрозв'язку. Каналом зв'язку називають сукупність технічних пристроїв та програмних засобів, які забезпечують передавання первинних сигналів від термінала джерела до термінала споживача.

Залежно від виду сигналів та середовища їх поширення розрізняють ка­нали телефонні, телеграфні, передачі даних, звукового та телевізійного мовлення, дротові та кабельні, радіозв'язку тощо. Але кожним з них можуть передаватись різні сигнали. Тому, з точки зору формування первинних сигналів та їх оброблення в приймачі, у теорії і техніці зв'язку всі канали розподіляють на три типи: неперервні, на вході і виході яких діють непе­рервні сигнали; дискретні, на вході і виході яких діють дискретні сигнали; змішані - дискретно-неперервні та неперервно-дискретні.

На практиці досить часто виникає необхідність забезпечити незалежне передавання повідомлень від кількох джерел, розташованих у пункті А, до споживачів, які знаходяться в пункті В. Використання для кожної пари джерело - споживач окремої лінії зв'язку економічно недоцільне. У сучасних системах передачі інформації лінія зв'язку є найбільш дорогою ланкою (близько 80 % загальної вартості). Тому виникає завдання побудови систем, що використовують одну лінію зв'язку для передавання кількох первинних сигналів. Такі системи називаються багатоканальними. Для цього на пере­давальному кінці додатково включається обладнання ущільнення сигналів у лінії, а на приймальному кінці - розділення сигналів.

При адресному передаванні (обмін інформацією між конкретними або­нентами) у систему зв'язку включаються пристрої пошуку адресата та розпо­ділу інформації. Але ці пристрої для процесу передавання електричних сигналів неістотні і в курсі ТЕЗ не вивчаються.

Для здійснення всіх перелічених раніше процесів у системі електрозв'язку широко використовуються генератори сигналів заданої форми, різна транс­формація частоти - перетворення, множення, ділення і т.ін. Ця різноманітність виникла через необхідність забезпечити передавання все більшої кількості інформації з кращою якістю за умови підвищення інтенсивності завад і буде більш детально розглянута в наступних розділах підручника.

1.2. ЗАВАДИ ТА СПОТВОРЕННЯ

Завада - будь-який зовнішній чи внутрішній вплив на сигнал у каналі зв'язку, який викликає випадкові його відхилення від початкового (створено­го терміналом джерела). Звідки ж виникають завади і як вони потрапляють до каналу зв'язку? Наведемо всім відомий приклад. У кімнаті лунає музика. Але слухачі сприймають не тільки цю музику (корисне повідомлення), а й розмови сусідів, шум транспорту з вулиці, і звуки з сусідньої кімнати і т.ін. Це все завади.

Саме так і в будь-якій системі електрозв'язку. Сучасний світ заповнюють не тільки звуки, а й електромагнітні коливання природного та штучного походження. Вони скрізь і всюди. Частина з них, певна річ, тими чи іншими шляхами все ж таки проникає в систему електрозв'язку. Завади можуть впливати на сигнал у будь-якій точці каналу, але найбільший "вклад" вносять завади лінії зв'язку. Тому вважають, що всі завади зосереджено в лінії і разом із сигналом надходять до входу приймача.

Завади дуже різноманітні як за своїм походженням, так і за фізичними властивостями. Іноді завади різко відрізняються від сигналу, іноді важко визначити, де сигнал, а де завада. Приклад - у телефоні чути дві розмови. Потрібен час, щоб зрозуміти, де корисне повідомлення, а де випадково "підключилась" завада. У той же час ця завада - корисне повідомлення для іншого абонента.

Класифікацію завад можна провести за такими ознаками: за походжен­ням (місцем виникнення); фізичними властивостями; характером дії на сигнал.

За походженням у першу чергу слід відзначити внутрішні завади при­строїв каналу зв'язку. Вони зумовлені хаотичним рухом носіїв зарядів у підсилювачах, опорах та інших елементах і називаються тепловими шумами. Квадрат ефективної напруги теплового шуму U/_ш на опорі К визначається за формулою Найквіста

(1.3)

де Т - абсолютна температура опору R; F - смуга частот; k = 1,37 х 10^-23 Вт·с/град - постійна Больцмана. Як випливає з формули (1.3), ці шуми принципово можуть бути усунені тільки при абсолютному нулі (Т = 0 К). Тому їх наявність необхідно завжди враховувати.

Серед завад від сторонніх джерел, що знаходяться зовні каналу зв'язку, можна назвати:

атмосферні (грозові розряди, полярні сяйва та ін.), що зумовлені елект­ричними процесами в атмосфері;

індустріальні, що виникають у колах електрообладнання (електротранспорт, електричні двигуни, медичні прилади, системи запалювання двигунів та ін.);

від сторонніх станцій і каналів, що виникають від різних порушень ре­жиму їх роботи та характеристик;

космічні, що пов'язані з електромагнітними процесами на Сонці, зірках, галактиках та інших космічних об'єктах.

За фізичними властивостями розрізняють флуктуаційні й зосереджені за­вади.

Флуктуаційними називають завади, які зумовлені флуктуаціями тих чи інших електричних величин. Вони дістали назву від фізичного поняття флуктуації (латинського fІисtиаtіоп - коливання) - випадкове відхилення фізичної величини від середнього значення. Флуктуаційна завада являє собою неперервне коливання, яке змінюється випадково. Для такої завади характерне дуже мале число викидів, які перевищують середнє значення більше ніж у 3 - 4 рази. Але і великі (принципово нескінченні) викиди завжди є. Флуктуаційні завади надходять у систему зв'язку не тільки ззовні, вони зароджуються також усередині самої системи в різних її ланках.

Причинами внутрішніх флуктуаційних завад є, в основному, тепловий шум у провідниках і дробовий ефект в електричних приладах. До зовнішніх флуктуаційних відносять завади космічного походження, взаємного впливу між колами ліній зв'язку (лінійні та нелінійні переходи, попутний потік тощо). Хоч ці завади за походженням і не є строго флуктуаційними, але вони мають всі властивості флуктуаційних.

Заважаюча дія й сприймання флуктуаційних завад залежать від характе­ру повідомлення. У телефоні під час розмови ця завада відчувається як звуковий шум, тому часто флуктуаційні завади називають флуктуаційним шумом. Цією назвою і ми будемо користуватись надалі. На екрані телевізора флуктуаційний шум викликає розмиття контурів та зменшення контрастності зображення, при телеграфному зв'язку - помилки знаків. Характерною особливістю флуктуаційного шуму є те, що явища, які його породжують, належать до фізичної природи цих речей (дискретна побудова речовини, дискретна природа електромагнітного поля) і тому принципово не можуть бути усунені.

До зосереджених за часом (імпульсних) відносяться завади у вигляді поо­диноких коротких імпульсів різної тривалості й інтенсивності, які надходять один за одним через випадкові досить великі інтервали часу. Причинами імпульсних завад є грозові розряди; радіостанції, що працюють в імпульсному режимі; лінії електропередачі та енергоустановки; системи електрозапалювання двигунів та енергозабезпечення транспорту; перенавантаження підсилювачів; неякісні контакти електрообладнання та живлення; недоліки розробки та виготовлення різних електроприладів; експлуатаційні роботи (реконструкція, профілактика, підключення до діючих каналів вимірювальних приладів, помилкова комутація і т.ін.).

До зосереджених за спектром відносяться завади сторонніх радіостанцій, генераторів високої частоти різного призначення (медичні, промислові, побутові тощо), перехідні завади від сусідніх каналів багатоканального зв'язку. Це, як правило, гармонічні чи модульовані коливання з шириною спектра, яка менша або порівнянна з шириною спектра корисного сигналу. У діапазоні декаметрових хвиль, наприклад, вони є основним видом завад.

За характером впливу на сигнал розрізняють адитивні і мультиплікативні завади.

Адитивною є завада, миттєві значення якої додаються до миттєвих значень сигналу. Адитивні завади впливають на приймач незалежно від сигналу і надходять навіть при його відсутності.

Мультиплікативною є завада, миттєві значення якої перемножуються з миттєвими значеннями сигналу. Заважаюча дія мультиплікативних завад проявляється як зміна параметрів корисного сигналу, в основному амплітуди. Мультиплікативні завади безпосередньо пов'язані з процесом проходження сигналу в середовищі поширення і тому існують тільки при наявності сигналу. Найпростіший приклад - телефонна чи радіотрансляційна лінія з неякісними контактами. Другим прикладом мультиплікативної завади є інтерференційні завмирання сигналу на декаметрових хвилях.

У діючих каналах електрозв'язку мають місце не одна, а сукупність завад. Але все ж головними можна вважати флуктуаційні шуми, які впливають на сигнал як адитивні.

Спотворення - це такі невипадково зміни форми сигналу, що зумовлені неідеальними характеристиками електричних кіл та пристроїв, якими проходить сигнал. Головна причина спотворень форми сигналів - перехідні процеси в лінії зв'язку, ланках передавача і приймача. При цьому розрізняють лінійні та нелінійні спотворення, що виникають відповідно в лінійних та нелінійних колах. У загальному випадку спотворення форми сигналу негативно впливають на якість відновлення повідомлень, і тому вони не повинні перевищувати встановлених значень (норм).

За відомими характеристиками каналу зв'язку форму сигналу на його виході завжди можна розрахувати за методикою, яка розроблена в теорії лінійних та нелінійних кіл. А потім зміни форми сигналу можна скоректувати спеціальними електричними ланками чи просто врахувати при обробленні сигналу в приймачі. Це вже справа техніки. Зовсім інше - завади. Вони завжди невідомі і тому не можуть бути усунені повністю.

Боротьба з завадами - основне завдання теорії і техніки зв 'язку. Будь-які теоретичні'! технічні рішення про виконання кодера і декодера, модулятора й демодулятора, передавача й приймача системи зв'язку повинні прийматись з урахуванням того факту, що в лінії є завади.

При всій різноманітності засобів боротьби із завадами їх можна звести до трьох напрямків.

1. Приглушення завад у місці їх виникнення. Це досить ефективні і широко розповсюджені заходи, але не завжди придатні, тому що існують джерела завад, на які впливати неможливо (грозові розряди, шуми Сонця та ін).

2. Зменшення завад на шляхах їх проникнення до приймача. Слід зауважити, що завади, як правило, впливають на сигнал у середовищі поширення. Тому як проводові, так і радіолінії будуються так, щоб забезпечити заданий рівень завад.

3. Ослаблення впливу завад на повідомлення в приймачі, демодуляторі, декодері. Саме цей напрямок боротьби із завадами є предметом дослідження в теорії електрозв'язку.

Поиск по сайту: