Васюков В.Н. Теория электрической связи

Подождите немного. Документ загружается.

В.Н. ВАСЮКОВ

ТЕОРИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

НОВОСИБИРСК

2005

ПРЕДИСЛОВИЕ

УДК 621.391(075.8)

В 201

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. А.Г. Вострецов,

д-р техн. наук, проф. И.С. Грузман

Васюков, В. Н.

В 201 Теория электрической связи : учебник / В. Н. Васюков. –

Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2005. – 392 с. («Учебники НГТУ»).

ISBN 5-7782-0541-4

Учебник содержит изложение основных вопросов теории электриче-

ской связи.

Учебник рассчитан на студентов II–III курсов, обучающихся по специ-

альностям «Средства связи с подвижными объектами» и «Многоканальные

телекоммуникационные системы», и может быть полезен студентам других

направлений и специальностей.

УДК 621.391(075.8)

ISBN 5-7782-0541-4 © В.Н. Васюков, 2005

технический университет, 2005

ПРЕДИСЛОВИЕ

истемы связи (системы телекоммуникаций, системы пере-

дачи информации) в настоящее время переживают этап

бурного развития. Достаточно упомянуть такие достижения конца

ХХ века, как глобальная сеть Интернет, спутниковая связь, обще-

доступная мобильная (сотовая) связь, чтобы оценить уровень и

темпы развития техники телекоммуникаций. Этим обусловливает-

ся потребность в подготовке высококвалифицированных специа-

листов в области связи. Есть все основания полагать, что и в бли-

жайшем будущем эта тенденция сохранится.

В подготовке инженеров-связистов и бакалавров по направле-

нию 550400 – «Телекоммуникации» фундаментальную роль играет

дисциплина «Теория электрической связи», включенная в Государ-

ственный образовательный стандарт в раздел «Общепрофессио-

нальные дисциплины (федеральный компонент)». Предлагаемый

учебник является попыткой восполнить недостаток учебной лите-

ратуры по теории электрической связи.

Теория электрической связи, по мнению автора, представляет

собой систему взаимосвязанных положений, взглядов, концепций,

составляющих основу мировоззрения специалиста в области теле-

коммуникаций. Изучение этой теории, в частности, должно дать

человеку твердое, научно обоснованное представление о том, что в

области связи можно сделать, а чего нельзя ни при каком уровне

развития технологии. Кроме того, теоретические положения долж-

ны быть подкреплены конкретными образцами их применения на

практике.

Эта точка зрения в совокупности с ограниченным объемом оп-

ределила отбор материала для данного учебника. Сравнительно

большое внимание уделено принципиальным вопросам теории

сигналов и линейных стационарных цепей, включая концепцию

пространства сигналов, ряд и интеграл Фурье, теорему отсчетов,

ПРЕДИСЛОВИЕ

понятие аналитического сигнала, случайные процессы, основы

теории информации и др. Модуляция и демодуляция, экономное

(статистическое) и помехоустойчивое кодирование, основы теории

помехоустойчивости и некоторые другие вопросы рассмотрены

главным образом на уровне идей с подробным изложением част-

ных примеров для усвоения основных понятий, с учетом того, что

многочисленные, в том числе технические, подробности этих тем

будут изучаться в последующих дисциплинах учебного плана.

Автор выражает глубокую признательность д-ру техн. наук,

проф. И.С. Грузману, канд. техн. наук, проф. А.Н. Яковлеву, сту-

дентам А.Н. Подовинникову и Д.В. Семенову, взявшим на себя

нелегкий труд чтения рукописи и высказавшим много полезных

замечаний и предложений по улучшению учебника.

1.1. Общие сведения о системах электрической связи

1. ВВЕДЕНИЕ. СИСТЕМЫ СВЯЗИ,

СИГНАЛЫ, КАНАЛЫ СВЯЗИ

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

истемы связи предназначены для передачи

информации. Информация

передается по-

средством сообщений. Таким образом, сообщение – форма пред-

ставления информации. Примерами сообщений могут служить

текст телеграммы, фраза в телефонном разговоре, последователь-

ность цифр при передаче данных, изображение в системе фототе-

леграфии, последовательность изображений (кадров) в системе те-

левидения и т.п. Сообщение представляет собой совокупность

знаков (символов). Например, текст телеграммы состоит из букв,

цифр, пробелов и специальных знаков, а телеграфное сообщение,

готовое для передачи по каналу связи, – из канальных символов

(например, из «точек», «тире» и пауз при использовании «азбуки

Морзе»). В системе черно-белого телевидения сообщением являет-

ся последовательность кадров, каждый из которых, в свою очередь,

представляет собой последовательность значений яркости, упоря-

доченных согласно схеме телевизионной развертки. В телефонии

сообщение – непрерывная последовательность значений напряже-

ния (тока), отображающая изменение во времени звукового давле-

ния на мембрану микрофона.

Из приведенных примеров становится ясно, что сообщения мо-

гут быть дискретными (состоящими из символов, принадлежащих

конечному множеству – алфавиту) или непрерывными (контину-

альными, аналоговыми), описываемыми функциями непрерывного

времени.

О содержании понятия информации см. разд. 8.

1. ВВЕДЕНИЕ. СИСТЕМЫ СВЯЗИ, СИГНАЛЫ, КАНАЛЫ СВЯЗИ

Для передачи сообщения необходим материальный носитель,

называемый сигналом. Сигналом может быть свет костра, удар ба-

рабана, звук речи или свистка, предмет, находящийся в условлен-

ном месте, взмах флажка или шпаги и т.п. В радиотехнике и элек-

трической связи используются электрические сигналы, которые

благодаря простоте их генерирования и преобразования наилуч-

шим образом приспособлены для передачи больших объемов дан-

ных на большие расстояния. Заметим, что в современных каналах

связи и устройствах хранения данных электрические сигналы за-

частую преобразуются в оптические или магнитные, но, как прави-

ло, предполагается их обратное преобразование.

Естественной формой представления сигнала считается его

описание некоторой функцией времени (зависимой переменной

чаще всего является напряжение или ток). Сигналы, как и сообще-

ния, могут быть дискретными или континуальными в зависимости

от того, рассматриваются ли они как функции дискретного или не-

прерывного времени. Зависимая переменная также может быть

дискретной или непрерывной, в соответствии с чем можно разли-

чать четыре типа сигналов (рис. 1.1).

()ut

[]un

а б в г

Рис. 1.1. Типы сигналов:

а – аналоговый, б – квантованный, в – дискретный, г – цифровой

Современная система связи представляет собой сложную со-

вокупность устройств, выполняющих преобразования сообщений

и сигналов с целью наиболее эффективной передачи информации.

К показателям эффективности относятся достоверность (верность)

и скорость передачи информации, а также некоторые другие вели-

чины. Упрощенная схема системы передачи информации (системы

связи) показана на рис. 1.2.

Само назначение системы связи предполагает наличие источ-

ника и получателя сообщений. Источник сообщений ИС порожда-

ет сообщение

, которое преобразуется преобразователем Пр1 в

сигнал

()bt

, называемый первичным сигналом. Например, в систе-

1.1. Общие сведения о системах электрической связи

ме телефонии преобразователем служит микрофон, в системе теле-

видения – передающая телевизионная камера. Первичный сигнал,

как правило, непригоден для непосредственной передачи

, поэтому

он поступает на модулятор

М, где используется для модуляции

другого колебания

()st

, более подходящего для передачи и назы-

ваемого переносчиком или несущим колебанием. Модуляция озна-

чает изменение одного или нескольких параметров сигнала-

переносчика в соответствии с изменением первичного сигнала (или

с передаваемым сообщением). Следует отметить, что дискретное

сообщение не обязательно должно передаваться дискретным сиг-

налом, а непрерывное – аналоговым. Наоборот, для современных

систем связи характерна передача, например, аналоговых сообще-

ний цифровыми сигналами; цифровые первичные сигналы приме-

няют для модуляции аналоговых несущих колебаний и т.д.

ИС

Пр1

ЛС

ДМ

Пр2

ПС

()st

помехи

()zt

()bt



()ut

()bt



Рис. 1.2. Структурная схема системы связи

Модулированный сигнал

()ut

поступает в линию связи ЛС, ко-

торая по своим физическим свойствам пригодна для передачи сиг-

нала к приемнику и в которой происходит его искажение под

влиянием характеристик линии, а также неизбежное воздействие

на сигнал вредных колебаний (помех). Вследствие этого колебание

()zt

, поступающее с выхода линии связи ЛС на демодулятор

ДМ,

отличается от переданного сигнала

()ut

, поэтому вырабатываемый

демодулятором сигнал

()bt



в общем случае отличается от первич-

ного сигнала

()bt

. Качество демодулятора (и системы в целом) тем

выше, чем меньше это отличие. Сигнал

()bt



преобразуется преоб-

разователем Пр2 в сообщение



, передаваемое получателю сооб-

В простых системах проводной телефонии первичный сигнал может передавать-

ся непосредственно.

Это устройство часто называют передатчиком; тогда модулятором называют ту

часть передатчика, где происходит собственно модуляция, т.е. управление пара-

метрами несущего колебания.

Модулятор и демодулятор часто конструктивно объединяют в одно устройство –

модéм.

1. ВВЕДЕНИЕ. СИСТЕМЫ СВЯЗИ, СИГНАЛЫ, КАНАЛЫ СВЯЗИ

щения ПС. В радиовещании роль подобного преобразователя игра-

ет громкоговоритель, в телевидении – кинескоп и т.д.

Рассмотренная структура системы связи является простейшей и

сравнительно редко применяется на практике. В современных сис-

темах связи сообщение перед передачей часто кодируется, при

этом последовательность символов, порождаемая источником (т.е.

собственно сообщение), преобразуется кодером К (рис. 1.3) в по-

следовательность кодовых символов, которая в виде цифрового

сигнала

()bt

поступает в модулятор. После прохождения по кана-

лу связи и демодуляции полученная кодовая последовательность

декодируется декодером

ДК, при этом восстанавливается сооб-

щение



, которое может отличаться от исходного. Кодирование

производится для повышения скорости передачи информации

(экономное, или энтропийное, кодирование

) либо уменьшения

вероятности ошибки при приеме сообщения (помехоустойчивое

кодирование). Целью кодирования может быть также согласование

формы передаваемого сообщения с каналом связи. Примером по-

следнего служит кодирование цифробуквенного телеграфного со-

общения кодом Морзе. Совокупность всех кодовых символов дан-

ного кода называется кодовым алфавитом. Количество символов в

кодовом алфавите называют основанием кода. Например, код Мор-

зе имеет основание 3. Код Бодо, алфавит которого состоит из сим-

волов 0 и 1, имеет основание 2.

Обычно один символ исходного сообщения (например, буква в

телеграфном сообщении) заменяется последовательностью кодо-

вых символов (кодовой комбинацией, кодовым словом). Кодом на-

зывается совокупность всех допустимых кодовых комбинаций. Ес-

ли каждый символ сообщения заменяется при кодировании

одинаковым количеством кодовых символов (т.е. все кодовые сло-

ва имеют равную длину), то код называется равномерным, иначе –

неравномерным. Длину кодовой комбинации равномерного кода

называют его разрядностью.

ИС

ЛС

ДМ

ДК

ПС

()bt

()ut

()zt

()bt



Рис. 1.3. Упрощенная структура дискретной системы связи

с кодированием

Часто кодер и декодер конструктивно объединяются в одно устройство, назы-

ваемое кóдеком.

Используются также термины сжатие и статистическое кодирование.

1.1. Общие сведения о системах электрической связи

С кодированием не следует путать шифрование сообщений,

иногда применяемое в современных системах связи. Цель шифро-

вания состоит в предотвращении несанкционированного извлечения

или преднамеренного изменения информации. При зашифровании

производится замена открытого сообщения шифрограммой (шифр-

текстом), а при расшифровании происходит обратное преобразова-

ние. Шифрование выполняется до преобразования сообщения в

первичный сигнал или в кодовую последовательность.

Таким образом, для модуляции в зависимости от сложности

системы применяется первичный сигнал или последовательность

кодовых символов. В качестве переносчика часто используют гар-

моническое колебание

cos( )At

, которое имеет три параметра:

амплитуду

, круговую частоту

2 f

и начальную фазу . По-

этому возможны три вида модуляции гармонического переносчика

аналоговым сигналом: амплитудная модуляция (АМ), частотная

модуляция (ЧМ) либо фазовая модуляция (ФМ)

, рис. 1.4.

Во многих случаях роль переносчика в системах связи играет

периодическая последовательность импульсов одинаковой формы

(часто импульсы считают в первом приближении прямоугольны-

ми

). При заданной форме импульсов последовательность характе-

ризуется амплитудным (пиковым) значением, длительностью им-

пульсов и периодом повторения. Поэтому при аналоговом

первичном сигнале различают:

– амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ), при которой по

закону изменения первичного сигнала изменяется амплитуда им-

пульсов;

– широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), при которой из-

меняется длительность («ширина») импульсов

;

()ut

а б в г

Рис. 1.4. Несущее гармоническое колебание (а) и получаемые на его

основе модулированные сигналы: АМ (б), ЧМ (в) и ФМ (г)

Два последних вида модуляции часто объединяют под общим названием угловая

модуляция.

Как станет ясно в дальнейшем, строго прямоугольные импульсы на практике

получить невозможно.

ШИМ также называют ДИМ, от слова длительность.

1. ВВЕДЕНИЕ. СИСТЕМЫ СВЯЗИ, СИГНАЛЫ, КАНАЛЫ СВЯЗИ

– времяимпульсную модуляцию (ВИМ), при которой изменяет-

ся время задержки импульсов относительно среднего положения;

– частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ), когда в такт с пер-

вичным сигналом изменяется частота следования импульсов.

Широко применяют также модуляцию гармонического колеба-

ния квантованным (цифровым) первичным сигналом. Различают

три вида дискретной (цифровой) модуляции (манипуляции): ам-

плитудную (ДАМ, ЦАМ), частотную (ДЧМ, ЦЧМ) и фазовую

(ДФМ, ЦФМ), рис. 1.5. Участок манипулированного сигнала, в те-

чение которого модулируемый параметр постоянен, называется

элементарной посылкой, или просто посылкой.

Колебание при дискретной модуляции характеризуют техниче-

ской скоростью (скоростью модуляции, скоростью телеграфиро-

вания), равной количеству элементарных посылок в секунду. Еди-

ницей измерения скорости модуляции является бод

(1 бод

соответствует одной посылке в секунду).

Наиболее важными показателями качества систем связи явля-

ются достоверность и помехоустойчивость. Достоверность дис-

кретных систем связи определяется вероятностью безошибочного

приема сообщения или отдельной посылки. Достоверность систем

передачи непрерывных сообщений часто характеризуется средним

квадратом ошибки

( ) ( )

b t b t dt







где

– время наблюдения сигнала.

Назван в честь Ж.М.Э. Бодо (1845 – 1903) – известного французского инженера.

Помехоустойчивость системы связи характеризуют отношени-

ем средних мощностей сигнала и помехи, при котором обеспечива-

ется заданная достоверность.

()ut

Рис. 1.5. Виды дискретной модуляции (манипуляции) гармонического

колебания: ДАМ (а), ДЧМ (б), ДФМ (в)