В историческом плане различные виды электросвязи длительный период времени развивались независимо друг от друга. Все виды электросвязи имеют дело с различными по характеру и параметрам электрическими сигналами, поэтому каждый вид в своем развитии ориентировался на создание своих каналов, систем и даже своей сети. Структура сети выбиралась в соответствии с особенностями распределения потоков сообщений, характерных для конкретного вида электросвязи. В результате сформировалось несколько независимых сетей. Средства связи, из которых создавались сети, оказались разрозненными. Уже в начале 1960-х гг. стало ясно, что перспективным направлением развития электросвязи должно стать объединение сетей. В первую очередь требовалось объединить однородные сети внутри каждого вида электросвязи, а затем изолированные сети отдельных видов электросвязи.

Необходимость передачи электрических сигналов в совпадающих направлениях позволила поставить вопрос об объединении отдельных систем передачи в совпадающих направлениях в единую систему передачи. Система передачи - это совокупность технических средств, позволяющая образовать независимые электрические каналы, по которым передаются сигналы электросвязи.

Наконец, одна из важнейших предпосылок, ведущих к слиянию сетей, - сходство функций, выполняемых различными системами коммутации и заключающихся в организации путей передачи сообщений для их доставки от отправителя к получателю.

Все это и вызвало необходимость построения и развития различных сетей электросвязи с учетом перспективы слияния их в единую сеть связи.

Учитывая эти обстоятельства, в конце 1960-х гг. было принято решение о создании в стране Единой автоматизированной сети связи (ЕАСС), которая бы объединила все сети электросвязи независимо от их ведомственной принадлежности.

Создание ЕАСС базировалось на объединении разрозненных и многочисленных мелких сетей в общегосударственные сети каждого вида электросвязи, а затем в единую сеть с целью совместного использования определенных технических средств, и в первую очередь систем передачи и коммутации.

Однако в конце XX века ход развития технического прогресса, в частности, широкое внедрение в сеть связи страны современных телекоммуникационных технологий, а также исторические изменения политической и экономической структуры России, предопределили создание новой концепции построения сети связи.

Взаимоувязанная сеть связи Российской Федерации (ВСС РФ) является частью инфраструктуры страны и представляет собой совокупность сетей, служб и оборудования связи, расположенных и функционирующих на территории страны. Она предназначена для удовлетворения потребностей населения, органов государственной власти и управления, обороны, безопасности, правопорядка, а также пользователей всех категорий в услугах электросвязи.

Все сети связи, входящие в единую сеть электросвязи (ЕСЭ) РФ, можно классифицировать по нескольким признакам (рис. 2.7):

по категориям;

по функциональному признаку;

по способам организации каналов;

по типу абонентских терминалов;

по территориальному делению.

Рис. 2.7 Классификация сетей связи РФ

В техническом плане функционирование ВСС РФ базируется на принципах и структурах, в соответствии с которыми вся сеть связи страны подразделяется на две взаимосвязанные составляющие: первичную сеть и вторичную сеть.

Первичная сеть - это совокупность всех каналов без подразделения их по назначению и видам связи. В состав ее входят линии и каналообразующая аппаратура.

Вторичная сеть состоит из каналов одного назначения (телефонных, телеграфных, вещания, передачи данных, телевидения и др.), образуемых на базе первичной сети. Вторичная сеть включает коммутационные узлы, оконечные пункты и каналы, выделенные на первичной сети.

Помимо принятого разделения сетей ЕСЭ на первичные и вторичные возможно другое двухуровневое разделение, по функциональному назначению: на транспортную сеть и сеть доступа.

Транспортная сеть связи состоит из междугородной и зоновых (региональных) сетей связи. Сеть доступа (абонентская сеть или сеть абонентского доступа) является местной сетью. Транспортная сеть предназначена для передачи высокоскоростных (широкополосных) потоков сообщения и их накопления.

Сеть доступа состоит из абонентских линий (на металлических или оптических кабелях или радиоканалах) с подключенными к ним абонентскими оконечными устройствами местных станций коммутаций, соединяющих их линии передачи и линии передачи к узлам транспортной сети.

Сеть управления электросвязью - специальная сеть, обеспечивающая управление сетями электросвязи и их услугами путем организации взаимосвязи с компонентами различных сетей электросвязи на основе единых интерфейсов и протоколов, стандартизированных Международным Союзом Электросвязи.

Сеть управления электросвязью обеспечивает единое управление цифровыми сетями, входящими в ВСС РФ.

По территориальному признаку и назначению первичные и вторичные сети подразделяются на магистральную (междугородную - для вторичных сетей), внутризоновые (зоновые) и местные сети, а также международные сети.

Магистральные сети связи - технологически сопряженные междугородные сети электросвязи, образуемые между центром Российской Федерации и центрами субъектов Федерации, а также центрами субъектов Федерации между собой.

Зоновые (региональные) сети связи - технологически сопряженные сети электросвязи, образуемые в пределах территории одного или нескольких субъектов Федерации.

Местные сети связи - технологически сопряженные сети электросвязи, образуемые в пределах административной или определенной по иному принципу территорий, не относящиеся к региональным сетям связи. Местные сети подразделяются на городские и сельские.

Магистральные, внутризоновые и часть местных цифровых наложенных первичных сетей являются основой транспортной цифровой сети связи России. Местные и первичные сети на участке «местный узел - оконечное устройство» в соответствии с новой терминологией являются сетью доступа (рис. 2.8).

Рис. 2.8 Принцип построения первичной сети ЕСЭ

Структура первичной сети учитывает административное разделение территории страны. Вся территория России поделена на зоны, совпадающие, как правило, с территорией областей, краев, а иногда - республик.

Каждый канал ЕСЭ обеспечивает передачу сигналов электросвязи.

Служба электросвязи представляет собой организационно-техническую структуру на базе сети связи (или совокупности сетей связи), обеспечивающую обслуживание связью пользователей с целью удовлетворения их потребностей в определенном наборе услуг электросвязи. Различают три вида служб электросвязи: службы речевого обмена, службы документальной электросвязи и службы мультимедиа.

Классификация служб электросвязи представлена на рисунке 2.9.

Рис. 2.9 Службы электросвязи

Традиционные сети связи (телефонные сети общего пользования - ТфОП, сети передачи данных (СПД) характеризуются узкой специализацией. Для каждого вида связи существует отдельная сеть, которая требует технического обслуживания, при этом свободные ресурсы одной сети не могут использоваться другой сетью. Мультисервисная сеть позволяет отказаться от многочисленных наложенных вторичных сетей, обеспечить внедрение новых услуг с различным требованием к объему передаваемой информации и качеству её передачи.

Мультисервисная сеть образует единую информационно-телекоммуникационную структуру, которая поддерживает все виды трафика (данные, голос, видео) и предоставляет все виды услуг (традиционные и новые, базовые и дополнительные) в любой точке, в любое время, в любом наборе и объеме.

К базовым услугам мультисервисной сети относятся традиционные услуги передачи и доступа:

передача традиционного телефонного трафика;

передача трафика данных Интернет;

передача трафика данных корпоративной сети;

передача трафика мобильных сетей;

доступ в сеть Интернет;

доступ к сетям передачи данных.

К дополнительным услугам относятся следующие:

передача голосового трафика IP-телефонии;

передача видеотрафика для организации видеоконференций;

организация виртуальной частной сети;

услуги по обеспечению гарантированного уровня обслуживания.

Потребность создания мультисервисных сетей диктуется сформировавшимся рынком телекоммуникационных услуг.

По виду передаваемых сообщений различают:

1) телеграфию (передача текста),

2) телефонию (передача речи),

3) фототелеграфию (передача неподвижных изображений),

4) телевидение (передача подвижных изображений),

5) телеметрию (передача результатов измерений),

6) телеуправление (передача управляющих команд),

7) передачу данных (в вычислительных системах и АСУ).

По диапазону частот – в соответствии с декадным делением диапазонов электромагнитных волн от мириаметровых (3÷30) кГц до децимиллиметровых (300÷3000) ГГц.

По назначению – вещательные (высококачественная передача речи, музыки, видео от малого числа источников сообщений большому количеству их получателей) и профессиональные (связные), в которых число источников и получателей сообщений одного порядка.

Различают следующие режимы работы СС:

1) симплексный (передача сигналов в одном направлении),

2) дуплексный (одновременная передача сигналов в прямом и обратном направлениях),

3) полудуплексный (поочередная передача сигналов в прямом и обратном направлениях).

Каналом связи называется комплекс радиотехнических устройств, при помощи которых передается и принимается информация, плюс среда между ними. В зависимости от вида сигналов на входе и выходе различают каналы: непрерывные; дискретные; дискретно-непрерывные; непрерывно-дискретные.

Каналы связи можно характеризовать по аналогии с сигналами следующими тремя параметрами:

– временем доступа Тк,

– шириной полосы пропускания ΔFк,

– динамическим диапазоном [дБ],

где Pк.доп. – максимально допустимая мощность сигнала в канале,

Pш – мощность собственных шумов канала.

Обобщенным параметром канала является его емкость

Очевидным необходимым условием согласования сигнала и канала является выполнение неравенства Vc

Вы также можете найти интересующую информацию в научном поисковике Otvety.Online. Воспользуйтесь формой поиска:

Еще по теме 1.3. Классификация систем связи:

1. Белоус И.А.. ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ СВЯЗИ. Практикум, 2016
2. 22.7. Пропускная способность каналов радиотехнической системы связи
3. 22.1. Тактико-технические параметры радиотехнической системы связи
4. Исследование связи синусового узла с вегетативной нервной системой
5. 22.4. Количество информации при приёме дискретных сигналов радиотехнической системы связи
6. Правовые системы и теоретические проблемы их классификации § 1. Правовая система общества: понятие, элементы, функции

За последнее десятилетие уровень развития территориаль­ных систем связи значительно определил любую другую область телекоммуникаций, ощутимо изменив стиль всей нашей жизни.

Средства связи - это комплект аппаратуры, обеспечиваю­щий взаимное соединение и передачу информации между або­нентами. Средства связи могут быть различны между собой. Виды связи в значительной степени зависят от того, как и где расположены элементы системы, которую они обслуживают.

Существуют системы, которые расположены на некоторой ограниченной территории (как правило, в одном помещении или нескольких помещениях, расположенных недалеко друг от дру­га), для обслуживания их используются локальные средства свя­зи.Они создаются специально для каждого случая и выполняют­ся так, чтобы технически обеспечить взаимодействие элементов системы. Существуют системы, элементы которой расположе­ны на значительных расстояниях. К ним относятся все системы связи, традиционно используемые в быту и на производствах. В таких случаях применяются каналы связи, использующиеся на данной территории. Такие виды связи принято считать террито­риальными, предназначенными для определенных территорий, или глобальными - для межгосударственных контактов.

Современные территориальные системы связи можно разде­лить на следующие группы:

Телеграф;

Телефонная связь;

Радиосвязь различных видов;

Индивидуальные соединительные линии связи. Индивидуальные линии создаются специально для систем, используемых на данной территории или в каком-либо помеще­нии, но технически они выполняются как разновидность одного из перечисленных каналов территориальной или локальной свя­зи.

Для оценки возможностей передачи информации рассмотрим конкретно каждый из видов связи.

8.2. Локальная система связи

Данная система связи выполняется как сеть, которая соеди­няет между собой специально подготовленное оборудование. Та­кая система связи способна передавать непосредственно ту ин­формацию, которая создается всей аппаратурой, сопряженной с ней. Простейшая сеть из двух компьютеров может быть органи­зована путем прямого соединения между собой установленных в этих компьютерах адаптеров. Расстояние между компьютера­ми может достигать 300-800 м. Для объединения компьютеров в вычислительную сеть используют технологию "разветвленная звезда".

Для создания более сложной сети применяют пассивные и ак­тивные разветвители, которые соединяются между собой в раз­личных сочетаниях.

Расстояние от пассивного разветвителя до компьютера или активного разветвителя - до 60 м. Если пассивные разветвите­ли выполняют только функции разветвления соединений сети, то активные разветвители содержат усилители передаваемого сигнала. Расстояния от компьютера до активного разветвителя или от одного активного разветвителя до другого может дости­гать 600-800 м.

Всего в одной локальной сети может работать до 255 ком­пьютеров. С учетом возможности последовательного соединения до 10 активных разветвителей протяженность такой цепочки мо­жет составлять до 6-8 км (рис. 50).

В тех случаях, когда используются территориальные виды связи, прямая передача сведений, создаваемых вычислительны­ми системами, невозможна, так как такие системы связи по сво­им техническим характеристикам не способны передавать ин­формацию с компьютера.

Для сопряжения компьютеров с такой сетью применяется следующая специальная аппаратура:

1. Модем - это устройство, позволяющее компьютеру выхо­дить на связь с другим компьютером посредством телефонных линий, т. е. модем может модулировать и демодулировать пе­редаваемое сообщение. При пользовании модемом возможен са­мый быстрый способ принять документальный материал с одно­го компьютера на другой без его распечатки. Пересылка файла по модему возможна в течение нескольких минут. При его рас­печатке пересылка его займет значительно больше времени.

2. Факс-модем - это устройство, позволяющее принимать факсимильные сообщения с выводом их на экран компьютера или с печатью на принтере и передавать документы, подгото­вленные на компьютере без их распечатки, а также использовать другие возможности телефаксов.

Рис. 50. Пример организации вычислительной сети

А.П. Сальников

ТЕОРИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

Конспект лекций

Часть 1

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

УДК 621.391.1

Сальников А.П. Теория электрической связи: Конспект лекций, часть 1/ СПбГУТ. –СПб., 2002. –93 с.: ил.

Предназначено для студентов, изучающих дисциплину «Теория электрической связи».

Содержит общие сведения о системах связи, описание моделей детерминированных сигналов. Рассмотрены преобразования сигналов в типовых функциональных узлах систем связи (модуляторах и детекторах разных видов, перемножителях и преобразователях частоты сигналов).

Приведены контрольные вопросы по всем разделам для самопроверки их усвоения и рекомендации по проведению сопутствующих экспериментальных исследований в виртуальной учебной лаборатории по курсу ТЭС.

Материал соответствует действующей учебной программе по курсу ТЭС.

Ответственный редактор М.Н. Чесноков

© Сальников А.П., 2002

© Издание Санкт-Петербургского государственного университета

телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 2002

Редактор И.И. Щенсняк

ЛР № от.02. Подписано к печати.02

Объем 8,125 уч.-изд. л. Тир. 200 экз. Зак.

РИО СПбГУТ. 191186, СПб., наб. р. Мойки, 61

Общие сведения о системах связи

Информация, сообщения, сигналы

Под информацией понимают совокупность каких-либо сведений о явлениях, объектах и т.п. Сообщения представляют собой материальную форму существования информации и могут иметь различную физическую природу. Сигналами в электрической связи служат процессы (функции времени) электрической природы, посредством которых осуществляется передача сообщений на расстояние. Общее и различное в этих основополагающих понятиях теории связи поясняется таблицей 1.1. В ней также указаны возможные преобразователи сообщений в сигналы, которые называют датчиками сигналов .

Таблица 1.1.

Текстовые сообщения представляют собой последовательности символов из некоторого конечного множества {a i } (языка) с известным объемом алфавита m . Преобразование такого рода сообщений в сигнал может осуществляться, например, клавиатурой ЭВМ путем поочередного кодирования отдельных символов сообщения k -разрядными комбинациями из 0 и 1, которым соответствуют два разных уровня напряжения.

Звуковые сообщения представляют собой изменения давления воздушной среды в заданной точке пространства во времени p (t ). С помощью микрофона они преобразуются в переменный электрический сигнал u (t ), который в определенном смысле является копией сообщения и отличается от него лишь физической размерностью.

Видеосообщения можно рассматривать как распределение яркости на поверхности объекта b (x,y ), неподвижное изображение которого требуется передать на расстояние (фототелеграф), или более сложный процесс b (x,y,t ) (черно-белое телевидение). Характерной особенностью при передаче видеосообщений является необходимость преобразования описывающих их многомерных функций в одномерный сигнал u (t ). Это достигается использованием в датчиках видеосигналов устройств развертки (УР) для поэлементного преобразования яркости отдельных точек объектов в уровень электрического сигнала с помощью фотоэлементов (ФЭ) или иных фотоэлектрических преобразователей.

Классификация сигналов

По относительной ширине спектра сигналы делят на низкочастотные (называемые также НЧ, видео, широкополосные сигналы) и высокочастотные (ВЧ, радио, узкополосные, полосовые сигналы).

Для НЧ сигналов ΔF /F ср> 1, где

ΔF = F max– F min– абсолютная ширина спектра сигнала,

F ср= (F max+ F min)/2 – средняя частота спектра сигнала,

F max– максимальная частота в спектре сигнала,

F min– минимальная частота в спектре сигнала.

Для ВЧ сигналов ΔF /F ср << 1.

Как правило, первичные сигналы на выходе датчиков являются низкочастотными. Полезно помнить диапазоны частот, в которых располагаются спектры типичных сигналов в системах связи и вещания:

1) телефонный – 300 ÷ 3400 Гц (стандартный канал тональной частоты),

2) радиовещательный – от 30–50 Гц до 6–15 кГц,

3) телевизионный – 0 ÷ 6 МГц (для вещательного стандарта разложения изображения, принятого в России).

По своей природе различают сигналы детерминированные и случайные. Детерминированные сигналы считаются известными в каждой точке временной оси. В отличие от них значения случайных (стохастических) сигналов в каждый момент времени являются случайной величиной с той или иной вероятностью. Очевидно, что детерминированные сигналы в силу своей полной определенности не могут нести никакой информации. Их удобно использовать в теории для анализа различных функциональных узлов (ФУ ), а на практике в качестве испытательных сигналов для измерения неизвестных параметров и характеристик отдельных звеньев трактов систем связи.

По форме сигналы можно разделить на четыре вида, приведенные в таблице 1.2.

Таблица 1.2.

	Время t
непрерывное	дискретное
Значения u (t )	Непрерывные	u (t ) аналоговый 1 t	u (t ) t
Дискретные	u (t ) t	u (t ) цифровой 4 t

Сигнал (1 ), непрерывный по времени и состояниям, называют аналоговым . Сигнал (4 ), дискретный по времени и состояниям, – цифровым . Эти сигналы чаще всего используются в различных узлах систем связи. Соответственно различают аналоговые и цифровые ФУ по форме сигналов на их входах и выходах. Возможны преобразования аналогового сигнала в цифровой с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и, наоборот, – с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) . Условные графические обозначения (УГО) этих типовых ФУ приведены на рис. 1.1.

Сигналы можно рассматривать в качестве объектов транспортировки по каналам связи и характеризовать основными параметрами, такими как

- длительность сигнала Т с,

- ширина его спектра F c ,

- динамический диапазон , где

и – максимальная и минимальная

мгновенные мощности сигнала.

Пользуются также более общей характеристикой – объемом сигнала .На интуитивном уровне очевидно, чем больше объем сигнала, тем он информативнее, но тем и выше требования к качеству канала для его передачи.

Классификация систем связи

По виду передаваемых сообщений различают:

1) телеграфию (передача текста),

2) телефонию (передача речи),

3) фототелеграфию (передача неподвижных изображений),

4) телевидение (передача подвижных изображений),

5) телеметрию (передача результатов измерений),

6) телеуправление (передача управляющих команд),

7) передачу данных (в вычислительных системах и АСУ).

По диапазону частот – в соответствии с декадным делением диапазонов электромагнитных волн от мириаметровых (3÷30) кГц до децимиллиметровых (300÷3000) ГГц.

По назначению – вещательные (высококачественная передача речи, музыки, видео от малого числа источников сообщений большому количеству их получателей) и профессиональные (связные), в которых число источников и получателей сообщений одного порядка.

Различают следующие режимы работы СС:

1) симплексный (передача сигналов в одном направлении),

2) дуплексный (одновременная передача сигналов в прямом и обратном направлениях),

3) полудуплексный (поочередная передача сигналов в прямом и обратном направлениях).

Уточним уже использованный нами термин канал связи. Под ним принято понимать часть СС между точками А на передающей и Б на приемной сторонах. В зависимости от выбора этих точек, иначе говоря, по виду сигналов на входе и выходе различают каналы:

1) непрерывные ,

2) дискретные ,

3) дискретно-непрерывные ,

4) непрерывно-дискретные .

Каналы связи можно характеризовать по аналогии с сигналами следующими тремя параметрами:

– временем доступа ,

– шириной полосы пропускания ,

– динамическим диапазоном [дБ],

где – максимально допустимая мощность

сигнала в канале,

– мощность собственных шумов канала.

Обобщенным параметром канала является его емкость

Очевидным необходимым условием согласования сигнала и канала является выполнение неравенства V c < V к.

Менее очевидно то, что это условие является также достаточным и вовсе не обязательно добиваться аналогичного согласования по частным параметрам (длительности, спектру, динамическому диапазону), так как возможен «обмен» ширины спектра сигнала на его длительность или динамический диапазон.

Контрольные вопросы

1. Дайте определения понятиям информация, сообщение сигнал. Какие между ними связи и различия?

2. Приведите примеры сообщений разной физической природы и соответствующих им датчиков сигналов.

3. Каким образом сообщения, описываемые многомерными функциями, преобразуются в сигналы? Приведите примеры.

4. Классифицируйте сигналы по особенностям их формы и спектра.

5. По какому признаку различают НЧ и ВЧ сигналы?

6. По какому критерию различают аналоговые и цифровые сигналы и ФУ?

7. Укажите основные параметры сигналов.

8. Нарисуйте структурные схемы систем связи для:

· передачи дискретных сообщений,

· передачи непрерывных сообщений,

· передачи непрерывных сообщения по цифровым каналам.

9. Укажите назначение следующих ФУ систем связи:

· кодера источника и кодера канала,

· модулятора,

· демодулятора,

· декодера канала и декодера источника.

10. Что общего и различного в задачах, решаемых демодуляторами СПДС и СПНС?

11. Какие системы связи Вам известны:

· по виду передаваемых сообщений,

· по диапазону используемых частот,

· по назначению,

· по режимам работы?

12. Дайте определение термину «канал связи». Какая классификация каналов связи Вам известна?

13. Укажите основные параметры каналов связи.

14. Сформулируйте условия согласования сигналов и каналов связи.

Для закрепления полученных в разделах 1.1 и 1.2. знаний полезно выполнить лабораторную работу № 14 «Знакомство с системами ПДС» (из перечня тем виртуальной учебной лаборатории) в полном объёме. Эта работа носит ознакомительный характер и позволяет наблюдать все основные процессы получения, преобразования и приёма сигналов в системах передачи дискретных сообщений (рис. 1.3). Следует обратить внимание на осциллограммы и спектрограммы сигналов на выходах типовых ФУ (кодера источника при выборе разных типов интерфейса, кодера канала при выборе разных помехоустойчивых кодов, модулятора при разных видах модуляции, демодулятора и декодера), входящих в системы ПДС, и сопоставить с ними свои представления, полученные в ходе изучения раздела.

Рекомендуется по результатам наблюдения сигналов в разных точках тракта СПДС провести их классификацию, определить их основные параметры, а также выделить в СПДС разные типы каналов (непрерывный, дискретный, дискретно-непрерывный и непрерывно-дискретный). Полезно также получение наглядного представления о функции каждого ФУ СПДС.

Для закрепления полученных сведений о различии НЧ и ВЧ сигналов и наполнения их практическим содержанием целесообразно провести исследования в рамках лабораторной работы № 4 «Модулированные сигналы». Выбирая в качестве первичных НЧ сигналы разных форм, обратите внимание не только на различие осциллограмм и спектрограмм первичных (НЧ) и модулированных (ВЧ) сигналов, но и на объединяющие их признаки при использовании разных видов модуляции (рис. 1.4).

При выполнении указанных работ не обязательно строго придерживаться имеющихся в них заданий. Используйте возможности ресурсов ВЛ для проведения исследований по своему усмотрению и желанию.

Пространств

Сигналы – это, прежде всего, процессы, т.е. функции времени x (t ), существующие на ограниченном интервале Т (в теории возможно Т → ∞). Их можно изобразить графически (рис. 2.1) и описывать упорядоченной последовательностью значений в отдельные моменты времени t k

(вектор строка).

Разные сигналы отличаются формой (набором значений x (t k )). Вместо сложной совокупности точек кривой x (t ) в простой области – двумерном пространстве можно ввести в рассмотрение более сложные пространства (пространства сигналов), в которых каждый сигнал изображается простейшим элементом – точкой (вектором).

В математике под пространством понимают множество объектов (любой физической природы), наделенных некоторым общим свойством. Свойства, которыми целесообразно наделять пространства сигналов, должны отражать наиболее существенные свойства реальных сигналов, такие как их длительность, энергия, мощность и т.п.

Метрические пространства

Первое свойство, которым мы наделим пространство сигналов, называют метрикой.

Метрическое пространство – это множество с подходящим образом определенным расстоянием между его элементами. Само это расстояние, как и способ его определения, называют метрикой и обозначают . Метрика должна представлять собой функционал, т.е. отображение любой пары элементов и множества на действительную ось, удовлетворяющее интуитивно понятным требованиям (аксиомам):

1) (равенство при ),

2) ,

3) (аксиома треугольника).

Следует отметить, что метрики можно задать разными способами и в результате для одних и тех же элементов получить разные пространства.

Примеры метрик:

1) ,

2) евклидова метрика,

3) евклидова метрика.

Линейные пространства

Усовершенствуем структуру пространства сигналов, наделив его простыми алгебраическими свойствами, присущими реальным сигналам, которые можно алгебраически складывать и умножать на числа.

Линейным пространствомL над полем F называют множество элементов , называемых векторами, для которых заданы две операции –сложение элементов (векторов) и умножение векторов на элементы из поля F (называемые скалярами ) . Не вдаваясь в математические детали, в дальнейшем, под полем скаляров будем понимать множества вещественных чисел R (случай действительного пространства L ) или комплексных чисел С (случай комплексного пространства L ). Эти операции должны удовлетворять системе аксиом линейного пространства.

1. Замкнутость операций сложения и умножения на скаляр:

2. Свойства сложения:

ассоциативность,

коммутативность.

3. Свойства умножения на скаляр:

Ассоциативность,

дистрибутивность суммы векторов,

дистрибутивность суммы скаляров.

4. существование нулевого вектора.

5. существование проти-

воположного вектора.

Вектор, образованный суммированием нескольких векторов со скалярными коэффициентами

называют линейной комбинацией (многообразием). Легко видеть, что множество всех линейных комбинаций векторов при разных a i (не затрагивая ) также образует линейное пространство, называемое линейной оболочкой для векторов .

Множество векторов называют линейно независимыми , если равенство

возможно лишь при всех a i = 0. Например, на плоскости любые два неколлинеарные вектора (не лежащие на одной прямой) являются линейно независимыми.

Система линейно независимых и ненулевых векторов образует в пространстве L базис , если

.

Этот единственный набор скаляров {a i }, соответствующий конкретному вектору , называют егокоординатами (проекциями ) по базису .

Благодаря введению базиса операции над векторами превращаются в операции над числами (координатами)

Если в линейном пространстве L можно отыскать n линейно независимых векторов, а любые n + 1 векторов зависимы, то n – размерность пространства L (dim L = n ).

Нормированные пространства

Следующий наш шаг в совершенствовании структуры пространства сигналов – объединение геометрических (характерных для метрических пространств) и алгебраических (для линейных пространств) свойств путем введения действительного числа, характеризующего «размер» элемента в пространстве. Такое число называют нормой вектора и обозначают .

В качестве нормы можно использовать любое отображение линейного пространства на действительную ось, удовлетворяющее следующим аксиомам:

3) .

Выводы

1. Математическим аппаратом спектрального анализа периодических сигналов являются ряды Фурье.

2. Спектры периодических сигналов дискретные (линейчатые), представляют собой совокупность амплитуд и фаз гармонических колебаний (составляющих) следующих по оси частот через интервалы Δf = f 1 = 1/T.

3. Ряд Фурье является частным случаем обобщенного ряда Фурье при использовании в качестве базиса

или .

Спектры Т-финитных сигналов

Т-финитными называют ограниченные по времени сигналы. По определению они не могут быть периодическими и, следовательно, к ним не применимо разложение в ряды Фурье.

Чтобы получить адекватное описание таких сигналов в частотной области используют следующий прием. На первом этапе от заданного сигнала x (t ), имеющего начало в точке t 1 и конец в точке t 2 переходят к сигналу x п (t ), являющемуся периодическим повторением x (t ) на бесконечной оси времени с периодом . Сигнал x п (t ) можно разложить в ряд Фурье

,

где .

Введём в рассмотрение текущую частоту и спектральную плотность амплитуд .

Тогда .

Исходный сигнал x (t ) можно получить из x п (t ) в результате предельного перехода Т® ¥ .

, , å ® ò , ,

Таким образом, для описания спектра финитного сигнала приходим к известному в математике интегральному преобразованию Фурье:

– прямое,

– обратное.

В данном случае (и в дальнейшем) комплексную функцию записали в виде , как это принято в научно-технической литературе.

Из полученных соотношений следует, что спектр Т-фи- нитного сигнала сплошной. Он представляет собой совокупность бесконечного числа спектральных составляющих с бесконечно малыми амплитудами , непрерывно следующих по оси часты. Вместо этих бесконечно малых амплитуд используют спектральную функцию (спектральную плотность амплитуд)

где – амплитудный спектр,

– фазовый спектр.

Выводы

1. Математическим аппаратом спектрального анализа Т-финитных сигналов является интегральное преобразование Фурье.

2. Спектры Т-финитных сигналов сплошные и описываются непрерывными функциями частоты в виде модуля спектральной плотности амплитуд (амплитудный спектр) и её аргумента (фазовый спектр).

Свойства преобразования Фурье

1. Прямое и обратное преобразование Фурье являются линейными операторами , следовательно, действует принцип суперпозиции. Если , то .

2. Прямое и обратное преобразование Фурье являются взаимно однозначными .

3. Свойство запаздывания .

Если , то

(в данном случае использованы подстановки: ).

4. Спектральная функция δ-функции .

Используя общее выражение спектральной функции и фильтрующее свойство δ-функции, получим

.

5. Спектральная функция комплексного гармонического сигнала .

(2.5)

Используя одно из определений δ-функции

и выполняя в нём взаимную замену t и w (или f ), получим

Назначение систем связи.

Рассмотрим общие принципы построения систем радиосвязи (радиоканала). Достаточно условно все существующие системы радиосвязи можно разделить на два больших класса: симплексные и дуплексные системы связи.

Рис. 6. Структурная схема организации дуплексной связи

Под симплексной связью (simplex - односторонний; связь «один-ко-всем») понимают связь между двумя пунктами, при которой в каждом из них передача и прием сообщений ведутся поочередно на одной несущей частоте. Часто симплексную связь используют для передачи информации только в одном направлении, например радиовещание, телевидение, оповещение и т. д. Дуплексная связь (duplex - двусторонний; связь «один-на-один») - двусторонняя связь между двумя пунктами, при которой передача и прием сообщений осуществляют одновременно на разных несущих частотах (рис. 6).

Сейчас применяют такую разновидность симплексной радиосвязи, как полудуплексная (half-duplex) связь или двухчастотный симплекс, когда система связи обеспечивает поочередно передачу и прием информации на двух разных несущих частотах с использованием ретрансляторов.

Отметим, что ретранслятор (от лат. translator - переносчик) - радиотехническое устройство, используемое как промежуточный приемопередающий пункт линии радиосвязи. По числу используемых каналов различают одноканальные и многоканальные системы связи (системы передачи информации). Об одноканальных системах связи уже в принципе и говорилось. Система связи называется многоканальной, если она способна обеспечить передачу нескольких сообщений по одной общей линии связи (каналу). Основная задача многоканальных систем связи - одновременная передача сообщений от многих источников, т. е. увеличение пропускной способности (часто используется термин «емкость»). Повышение эффективности использования канала связи достигается путем применения разных методов уплотнения каналов связи, за счет сокращения избыточности сообщений и организации так называемого многоканального и многостанционного доступа абонентов. Для увеличения пропускной способности большинства систем связи применяют временное и частотное

уплотнение (multiplexing; от лат. multiplex - сложный, многократный) сигналов (рис. 7).

Рис.7. Структурные схемы модуляторов систем связи с уплотнением:

а - временным; б - частотным

Амплитудная, частотная и фазовая модуляция несущих колебаний позволяет строить многоканальные радиоэлектронные системы с частотным уплотнением (разделением) каналов (ЧРК), обусловленным использованием несущих колебаний с различными частотами. Достоинством системы с ЧРК является сравнительная простота и возможность передачи весьма широкополосных сообщений, например телевизионных.

Импульсная модуляция несущего колебания дает возможность разрабатывать многоканальные радиотехнические системы связи с временным уплотнением (разделением) каналов (ВРК), обладающие заметными преимуществами перед системами связи с ЧРК. К этим достоинствам относится высокая точность передачи сигналов (лучшая помехозащищенность) и возможность передавать совместно сообщения нескольких каналов в одном частотном диапазоне, поскольку сообщению каждого канала будет соответствовать своя последовательность импульсов, не перекрывающаяся с последовательностью импульсов сообщения другого канала. При временном уплотнении, благодаря тому, что сигналы передают не непрерывно, а только их отсчетами (выборками) в очень короткие временные интервалы, на одной несущей частоте можно передавать ряд различных сигналов. Для этого разные сигналы U 1 (t), U 2 (t) …..U n (t), отражающие группу из n передаваемых сообщений, подают на аналоговый мультиплексор (селектор или аналоговый коммутатор) (рис. 7, а). Суммарные сигналы аналогового мультиплексора U Σ (t) с помощью импульсного модулятора и задающего генератора переносят на частоту f 0 и через усилитель мощности подводят к передающей антенне.

Традиционно во многих радиотехнических системах передачи информации широкое применение находит частотное уплотнение сигналов, осуществляемое предварительно (перед основной модуляцией) дополнительной модуляцией на так называемых поднесущих частотах (предварительных; от англ. - subcarrier frequency) -f 1 ,f 2 ,…..f n (рис. 7, б). Поднесущие частоты значительно превышают частоту передаваемого сигнала, но во много раз меньше несущей частоты.

При частотном уплотнении передаваемые сигналы предварительно поступают на модуляторы поднесущих частот, где осуществляется амплитудная, частотная, фазовая или другие виды модуляции.

Необходимые элементы модуляторов поднесущих частот - полосовые фильтры (на рис. 7, б не показаны), настроенные на поднесущие частоты и подавляющие спектральные составляющие соседних каналов. Затем промодулированные сигналы с поднесущими частотами подают на основной модулятор, работающий на основной несущей частоте f 0 , и в виде суммарного сигнала U Σ (t) через антенну излучают в пространство.

Системы радиосвязи принято делить на наземные и спутнико-космические . В наземных системах радиосвязи радиоволны распространяются в пределах земной атмосферы. Такие системы служат для обеспечения связи с самолетами, кораблями, наземным транспортом и другими объектами. Они осуществляют персональную радиосвязь в рамках сотовой, транкинговой и иных видов связи. Особенностью спутнико-космических систем радиосвязи является наличие в их составе искусственных спутников Земли (ИСЗ), на которых располагают ретрансляторы радиосигналов. В целом система состоит из двух основных частей, или сегментов: наземного и космического. С помощью систем космической радиосвязи, работающих, как правило, в диапазоне сверхвысоких частот, передают огромные объемы сообщений: трансляция множества телевизионных каналов, компьютерных данных, телефонных, телефаксных и иных сообщений.

Линии связи

Виды линий связи, по которым передают информацию от источника к получателю, многочисленны и разнообразны. Различают каналы проводной связи (проводные, кабельные, оптоволоконные и др.) и каналы радиосвязи.

Кабельные линии связи являются основой магистральных сетей дальней связи; по ним осуществляется передача сигналов в диапазоне частот от десятков килогерц до сотен мегагерц. Одним из самых совершенных систем передачи информации являются волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Информация по таким каналам передается в виде световых импульсов, посылаемых лазерным излучателем. Они позволяют в диапазоне частот 600 ... 900 ТГц (к = 0,5...0,3 мкм) обеспечить чрезвычайно большую пропускную способность (примерно 120 000 каналов по паре оптических волокон) и создают надежную и скрытую связь с высоким качеством передачи информации. Основными преимуществами оптических волокон (ОВ), или световодов, как физической среды распространения сигналов электросвязи и конструктивной основы оптического кабеля (ОК) являются:

Широкая полоса пропускания, позволяющая передавать сигналы электросвязи со скоростью (битрейтом) до 2,0 ... 2,5 Тбит/с и выше; например, даже при скорости 50 Мбайт/с в течение 1 с передается объем информации, приблизительно равный содержанию 10 школьных учебников.

Низкий уровень потерь на распространение сигналов, обеспечивающих их передачу без регенерации на расстояния до 150 ... 175 км (и в перспективе до 350 км и более);

Абсолютная нечувствительность к электромагнитным помехам;

Отсутствие перекрестных помех (перекрестной модуляции) в ОК;

Малая масса и размеры ОК.

К другим достоинствам ОВ и ОК можно отнести такие, как достаточно высокая защищенность от несанкционированного перехвата передаваемой информации, пожаробезопасность, относительно невысокая стоимость ОК по сравнению с медными кабелями и практически неограниченные запасы сырья для производства ОВ. Все это делает их применение в сетях и системах связи еще более привлекательным и технически и экономически оправданным. Поэтому ОК почти полностью вытесняют в настоящее время другие виды направляющих структур в магистральных линиях цифровых первичных сетей связи. Наряду с проводными линиями связи широко используют радиолинии различных диапазонов (от сотен килогерц до десятков гигагерц). Эти линии более экономичны и незаменимы для связи с подвижными объектами. Для многоканальной системы радиосвязи при передаче, информации на большие расстояния широко используются радиорелейные линии (РРЛ) связи. Радиорелейная связь (радио и франц. relais - промежуточная станция) -радиосвязь, состоящая из группы ретрансляционных станций, расположенных на определенном расстоянии друг от друга, обеспечивающем устойчивую работу. Антенны станций линии радиорелейной связи устанавливают на мачтах (башнях) высотой 70 ... 100 м. Протяженность линии радиорелейной связи может составлять до 10 000 км, емкость - до нескольких тысяч каналов.

В зависимости от используемого метода распространения радиоволн радиорелейные линии связи можно разделить на две основные группы: прямой видимости и тропосферные.

Радиорелейные линии прямой видимости - основные наземные средства передачи сигналов телефонной связи, звукового и телевизионного вещани», цифровых данных и других сообщений на большие расстояния. Ширина полосы частот сигналов многоканальной телефонии и телевизионного вещания составляет несколько десятков мегагерц, поэтому для их передачи практически могут быть использованы диапазоны только дециметровых и сантиметровых волн, общая ширина спектра которых составляет 30 ГГц. Кроме того, в этих диапазонах почти полностью отсутствуют атмосферные и промышленные помехи.

Современные радиорелейные линии связи представляют собой цепочки достаточно мощных приемно-передающих радиостанций - ретрансляторов, последовательно принимающих, усиливающих, преобразовывающих (переносящих) сигналы на другие частоты и передающих далее сигналы от одного конца линии связи к другому (рис.8). На каждой из промежуточных станций происходит восстановление и перенос сигнала на другую частоту, т. е. замена принятого слабого сигнала новым сильным, посылаемым на следующую станцию. Наиболее распространены радиорелейные линии метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов на частотах от 60 МГц до 15 ГГц.

Рис. 8. Структурная схема радиорелейной линии связи

Все большее применение находят спутниковые линии связи - РРЛ с ретранслятором на искусственном спутнике Земли. В системах спутниковой радиосвязи используются радиоволны СВЧ-диапазона (обычно в пределах частот 1,5...14 ГГц, наиболее используемый диапазон 4...6 ГГц), пронизывающие ионосферу с минимальным затуханием. Передача информации на большое расстояние при одном ретрансляторе на ИСЗ, гибкость и возможность организации глобальной связи - важное преимущество спутниковых систем. Основным преимуществом цифровых систем связи перед аналоговыми системами является их высокая помехоустойчивость. Это полезное качество наиболее сильно проявляется в системах передачи с многократной ретрансляцией (переприемом) сигналов. Типичные системы подобного типа - радиорелейные, волоконно-оптические и кабельные линии большой протяженности. В них сигналы передаются по цепи ретрансляторов, расположенных на таких расстояниях друг от друга, которые обеспечивают надежную связь. В таких системах помехи и искажения, возникающие в отдельных звеньях, как правило, накапливаются. Для простоты положим, что радиосигнал в каждом ретрансляторе только усиливается. Тогда, если аддитивные помехи в каждом звене связи статистически независимы, их мощность на входе последнего звена равна сумме мощностей помех всех звеньев. Если система передачи информации состоит из n одинаковых звеньев, для обеспечения заданной верности связи необходимо обеспечить на входе каждого ретранслятора отношение сигнал/помеха в п раз больше, чем при передаче сигнала без ретрансляций. В реальных системах число ретрансляций п может достигать несколько десятков, а иногда и сотен; накопление помех вдоль тракта передачи становится основным фактором, ограничивающим протяженность линии связи. В цифровых системах передачи для ослабления эффекта накопления помех при передаче с ретрансляциями наряду с усилением применяют регенерацию импульсов, т. е. демодуляцию с восстановлением переданных кодовых символов и повторную модуляцию на переприемном пункте. При использовании регенерации аддитивная помеха с входа ретранслятора не поступает на его выход. Однако она вызывает ошибки при демодуляции. Ошибочно принятые в одном регенераторе символы в таком виде передаются и на следующие регенераторы, так что ошибки все же накапливаются. При цифровой системе передачи непрерывных сообщений можно, кроме того, повысить верность применением помехоустойчивого кодирования. Высокая помехоустойчивость цифровых систем передачи позволяет осуществить практически неограниченную по дальности связь при использовании каналов сравнительно невысокого качества.