Принципы передачи информации с помощью электромагнитных сигналов.

Основной задачей систем связи является одно- или двусторонняя передача на расстояние различной информации. Под информацией понимаются сведения, которыми обмениваются абоненты в процессе своей деятельности. Информация, представленная в виде, приспособленном для её передачи, называется сообщением. Сообщение должно однозначно отображать передаваемую информацию, ибо только в этом случае возможно верное восстановление получателем передававшейся информации из полученного сообщения. Если информационный параметр сообщения в конечный промежуток времени может принимать конечное число значений, то такое сообщение называется дискретным. Если же в конечный промежуток времени информационный параметр имеет бесконечно большое число значений, то есть характеризуется непрерывной функцией времени, то сообщение называется аналоговым или непрерывным. Изменение информационного параметра сообщения может иметь определённую закономерность. Такие сигналы называются периодическими. В случае если закономерность изменения сигнала отсутствует – сигнал считается непериодическим.

Любой сигнал может быть представлен, с абсолютной точностью, в виде бесконечной суммы синусоидальных составляющих (гармоник), различной амплитуды и частоты. Совокупность частот гармонических составляющих сигнала называется спектром сигнала.

Создание технических систем, реализующих передачу сигналов с бесконечными спектрами частот, является невозможным, а передача чрезмерно большого конечного спектра экономически неэффективна и ведёт к техническому усложнению системы связи. Поэтому, при проектировании реальных систем, осуществляется ограничение возможного спектра передаваемых сигналов, т.е. исключение из передачи гармоник, высших по частоте, нежели определённая в технической системе граница. Диапазон частот, допустимых для передачи по данной системе связи, называется спектром передачи.

Следует отметить, что восстановление на приёмной стороне тракта связи передаваемого сигнала без искажений возможно только в случае передачи его полного спектра. Таким образом, ограничение спектра передаваемого сигнала в системах связи всегда приводит к искажению сигнала при восстановлении. Задачей проектировщиков аппаратуры связи следует считать соблюдение условия непревышения этими искажениями допустимых границ, за которыми нарушается возможность восстановления смысла полученной информации.

Исторически принято подразделять все виды передаваемой информации на звуковую информацию и базы данных. Под речевой информацией подразумевается звуковая информация, порождаемая речевым аппаратом человека. Раздел связи, занимающийся передачей речевой информации, называется телефонией.

Под звуковыми колебаниями в физике понимаются механические колебания молекул упругой среды, которые, воздействуя на орган слуха человека, способны вызвать в его сознании специфическое ощущение звука. Обобщённо принято считать, что частоты таких колебаний находятся в диапазоне 20 – 20000 Гц, хотя частотный диапазон восприятия звуковых колебаний индивидуален для каждого человека и зависит от особенностей строения его организма. Звуковые колебания распространяются от точки возникновения во всех направлениях в виде звуковых волн. Пространство распространения звуковой волны называется звуковым полем. Скорость звука зависит от физических свойств окружающей среды и составляет для воздуха 344 м/с (при температуре +20^оС и нормальном атмосферном давлении 766 мм.рт.ст.). Звуки по своей структуре могут быть простыми, представляющими из себя одночастотные колебания из вышеуказанного диапазона, и сложными. Сложные звуковые колебания могут быть получены путём суммирования простых синусоидальных колебаний различной амплитуды и частоты.

Следует отметить ряд особенностей, присущих звукам человеческой речи, которые позволяют выделить их в отдельную группу звуковых сигналов. Звуки речи представляют собой сложные непериодические колебания. Составляющие этих колебаний находятся в диапазоне частот от 80 Гц до 12000 Гц.

В качестве примера ограничения спектра предаваемых сигналов можно привести ограничения, существующие при передаче по системам связи речевых сигналов. Частотные характеристики технических устройств передачи человеческой речи рассчитаны на передачу диапазона от 300 Гц до 3400 Гц. Этот частотный диапазон называется диапазоном стандартного телефонного канала или, сокращённо, стандартным телефонным каналом. Сокращение высокочастотных составляющих спектра речи в таком канале несколько искажает тембр голоса говорящего и эмоциональную окраску речи, но абсолютно не влияет на разборчивость принимаемой информации.

Ещё одной важной характеристикой сигналов является динамический диапазон. Под динамическим диапазоном понимается отношение возможной максимальной мощности сигнала к его возможной минимальной мощности:

. (1.1.)

Однако, при измерениях в системах связи, вместо значений мощностей, токов и напряжений зачастую удобнее пользоваться отношениями этих величин. Поскольку диапазон таких отношений, при использовании равномерной шкалы, очень велик, удобнее пользоваться логарифмической шкалой. Логарифмы отношений мощностей, токов и напряжений называют уровнями сигналов. Различают абсолютные и относительные уровни.

Абсолютныминазываются уровни, в которых используются отношения измеряемых величин к значениям, условно принятым за нулевые. Согласно принятым международным стандартам, за нулевое значение мощности принят 1 мВт: мВт.

Нулевые значения напряжений и токов зависят от того, на каком сопротивлении нагрузки производятся измерения. Как известно из курса электротехники:

P = I · U, Вт; (1.2)

где, согласно закону Ома:

I = , А. (1.3)

Подставляя выражение силы тока (1.3) в формулу мощности (1.2), получаем:

P = , Вт;

U = , В. (1.4)

Аналогичные преобразования можно проделать для силы тока:

U = I · Z_изм , В;

P = , Вт;

I = , А. (1.5)

Рассчитанные по формулам (1.4) и (1.5.) значения U₀ и I₀ для возможных значений Z_изм и мВт приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Абсолютные уровни мощностей, напряжений и токов могут выражаться с использованием десятичных логарифмов:

, дБм. (1.6)

Учитывая (1.4) и (1.5), получаем значения абсолютных уровней сигналов по напряжению либо силе тока:

, дБ. (1.7)

, дБ. (1.8)

Значения уровней, измеренных по формулам (1.7) и (1.8) исчисляются в размерности децибелов(дБ). Уровни сигналов, измеряемые по мощности (1.6), получили специализированную размерность децибелов по мощности (дБм).

При необходимости перехода от измеренных значений уровней сигнала, в некоей точке тракта связи, к значениям мощностей, напряжений и сил токов, действующих в этой точке, используются следующие формулы (с учётом (1.6), (1.7) и (1.8)):

P_х = P₀ · = P₀ · , Вт; (1.9)

U_х = U₀ · = U₀ · , В; (1.10)

I_х = I₀ · = I₀ · , А. (1.11)

В процессе проектирования и эксплуатации систем связи часто возникает необходимость сравнительной оценки уровней сигналов. Сравнению могут подвергаться значения уровней сигнала в одной точке схемы в различные моменты времени: , значения уровней одного сигнала в различных точках схемы или значения уровней различных сигналов: . При этом используются относительные уровни сигналов, которые могут представляться в логарифмическом либо разностном выражении.

В логарифмическом выражении относительные уровни для значений мощностей, напряжений или сил тока первого сигнала относительно значений этих же величин второго сигнала вычисляются по формулам:

, дБ; (1.12)

, дБ; (1.13)

, дБ. (1.14)

Если известны абсолютные уровни сигналов в точках X и Y, то относительные уровни сигналов удобно представлять в разностном выражении, т.е. как разность абсолютных уровней сигналов в точке X и точке Y:

. (1.15)

. (1.16)

. (1.17)

При оценке работоспособности систем связи наиболее удобны для использования логарифмические характеристики передачи сигналов – усиление и затухание. Затухание и усиление сигналов являются противоположными величинами и определяются, как разность абсолютных значений уровней сигналов на входе и выходе измеряемого тракта:

, дБ, (1.18)

где а – затухание тракта,

s – усиление тракта.

Если полученный при вычислениях по формуле (1.18) результат положителен, то измеряемый тракт вносит, при передаче через него сигнала, затухание. В противном случае тракт обладает усилительными свойствами.

Таким образом, более распространённая формула для вычисления динамического диапазона выглядит следующим образом:

D = 10 lg|P_max / P_min|, дБ. (1.19)

Устройства связи служат для увеличения возможной дальности связи и выполнения ряда других функций (сортировки информации, сохранения её на длительный срок, засекречивания и т.д.). Любой тракт связи содержит в своём составе источник информации, преобразователь информации в сообщение, средý распространения (средý передачи), преобразователь сообщения в информацию, получателя информации. При использовании для передачи информации технических средств, преобразование информации в сообщение и обратно может происходить каскадно. При этом сообщение одной ступени преобразования является, в свою очередь, информацией для следующей ступени. Для увеличения дальности, в качестве среды передачи, могут использоваться направляющие системы, т.е. технические устройства, свойства которых благоприятствуют передаче в определённом направлении того или иного вида сообщений. Любой тракт связи можно представить в виде обобщённой схемы.

Рис. 1.1. Обобщённая схема тракта связи.

При передаче речевой информации, источником сообщений является голосовой аппарат человека, вырабатывающий звуковые (акустические) колебания. Средой распространения служит упругая окружающая среда, передающая возникшие колебания. Приёмником информации является слуховой аппарат человека – получателя информации, на который воздействуют колебания упругой окружающей среды.

В процессе прохождения информации по тракту связи на сообщения могут влиять факторы, вносящие искажения в информационные параметры сообщений. Такие факторы называются помехами. Помехи снижают достоверность восстановления информации из полученного сообщения на приёмной стороне тракта связи и, следовательно, уменьшают возможную дальность передачи сигналов.

Для передачи по системам электромагнитной связи необходимо преобразование информации в электромагнитные сообщения. Такое преобразование означает, что какой либо параметр электромагнитного сигнала (амплитуда, частота и т.п.) изменяется в соответствии с передаваемой этим сигналом информацией. В современных системах связи используются электромагнитные волны двух видов: электрические (передаваемые по токопроводящим направляющим системам) и световые (передаваемые по волоконно-оптическим направляющим системам).

Для преобразования звуковых колебаний в электромагнитные в составе тракта связи должны находиться электроакустические преобразователи. Первый преобразователь был придуман в 1876 году А.Г. Беллом, этот год принято считать годом рождения телефонии. Преобразователь звуковых сигналов в электромагнитные получил название микрофона, устройство обратного преобразования называется телефоном. Электроакустические преобразователи классифицируются:

– по принципу преобразования (электродинамические, электромагнитные, электроконтактные, электростатические, пьезоэлектрические);

– по обратимости действия (обратимые и необратимые), обратимые способны осуществлять оба вида преобразований, необратимые только один, тот или иной, вид преобразования;

– по использованию источников энергии (активные и пассивные), активные вырабатывают электрическую энергию при воздействии на них звуковой волны и не нуждаются в посторонних источниках питания, пассивные управляют работой дополнительного источника питания в соответствии со звуковой волной.

Наиболее широкое распространение, в течение длительного периода времени, получили электроконтактные и электромагнитные преобразователи.

В качестве электроконтактного преобразователя рассмотрим угольный микрофон.

Рис. 1.2. Схематический чертёж угольного микрофона.

Он представляет собой металлический корпус, в котором находится угольная камера с засыпанным в неё угольным порошком. Корпус угольной камеры является так же неподвижным электродом и электрически изолирован от корпуса микрофона. На угольный порошок воздействует поршень, который связан с диафрагмой. Поршень и диафрагма (мембрана) соединены с корпусом микрофона и образуют второй (подвижный) электрод. При давлении звуковой волны на диафрагму последняя через поршень давит на угольный порошок. При этом зёрна порошка плотнее прижимаются друг к другу, тем самым увеличивается площадь соприкосновения зёрен друг с другом и уменьшается общее электрическое сопротивление порошка. Степень прижатия зёрен зависит от силы давления звуковой волны. При уменьшении внешнего давления порошок стремится вернуться к исходному состоянию и электрическое сопротивление увеличивается. Если при этом к микрофону подключён источник питания, то сила тока, протекающего через микрофон, будет так же изменяться по закону изменения звуковой волны. Из всего вышеуказанного следует, что угольный микрофон является электроконтактным необратимым пассивным электроакустическим преобразователем.

В качестве телефонов в телефонных аппаратах, чаще всего, используются электромагнитные преобразователи.

Рис. 1.3. Схематический чертёж электромагнитного преобразователя.

Последовательная магнитная цепь электромагнитного преобразователя состоит из постоянного магнита, полюсных электромагнитов, воздушных зазоров и мембраны из магнитопроницаемого материала. В случае работы преобразователя в качестве телефона, информационный электрический сигнал поступает в обмотки полюсных электромагнитов. В результате возникает переменный магнитный поток, проходящий через магнитную цепь и заставляющий мембрану колебаться в такт с изменениями информационного сигнала. Колебания мембраны вызывают звуковые волны в окружающей среде, которые слышит получатель информации. При работе преобразователя в качестве микрофона, звуковая волна от источника информации вызывает колебания мембраны. Это движение вызывает изменение воздушных зазоров в последовательной магнитной цепи, которое, в свою очередь, приводит к изменению магнитного потока, протекающего через цепь. Как известно из курса электротехники: изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый электрический контур, приводит к возникновению в этом контуре ЭДС магнитной индукции (закон Фаррадея – Ленца). Замкнутым электрическим контуром в данном случае являются обмотки полюсных магнитов, колебания ЭДС (а, следовательно, и тока) в которых будут совпадать со звуковыми колебаниями. Электромагнитные преобразователи являются обратимыми активными преобразователями.