Общие принципы построения систем связи

Современная система связи представляет собой сложную совокупность устройств, выполняющих преобразования сообщений и сигналов с целью наиболее эффективной передачи информации.

К показателям эффективности относятся достоверность и скорость передачи информации, а также некоторые другие величины.

Сообщения – это совокупность сведений об окружающих нас предметах, явлениях. Сообщения могут быть звуковыми (речь, музыка), световыми (изображения неподвижных и подвижных объектов), текстовыми (буквенно-цифровые сообщения).

Обобщенная структурная схема системы связи (рис. 1.5) отражает наиболее типичные преобразования, которым подвергается сообщение в системе связи, она справедлива для любых видов сообщений. Рассмотрим назначение основных блоков системы связи.

Рис. 1.5. Обобщенная структурная схема системы связи

Источник информации – источник сообщения подлежащего передаче (человек, окружающая среда и т.п.).

Сообщение – речь, музыка, текст, изображение, параметры некоторых объектов и т.п.

Кодер – а) преобразует неэлектрическое сообщение в электрический сигнал (сигнал – это электрическая копия сообщения).

б) преобразует аналоговый (непрерывный) сигнал в дискретный (цифровой);

в) осуществляет эффективное кодирование с целью уменьшения необходимой скорости передачи информации при заданном качестве (устранение избыточности сообщения);

г) осуществляет помехоустойчивое кодирование, позволяющее улучшить качество принимаемого сообщения.

Генератор несущий – генерирует колебания с постоянной амплитудой, частотой, фазой.

Модулятор – изменяет амплитуду, частоту или фазу переносчика в соответствие с модулирующим сигналом, поступающим от кодера.

Выходное устройство – усиливает сигнал, для обеспечения заданного качества связи и ограничивает спектр излучаемого сигнала до полосы частот, отведённой для заданной системы связи.

Кодер, модулятор, генератор несущей и выходное устройство образуют передатчик.

Линия связи – совокупность технических устройств (кабель, двухпроводная линия, оптическая линия связи) или эфир, по которым сигнал поступает от передатчика к приёмнику. Напряжение на входе приёмника можно записать как:

,

где U_прм(t) – напряжение на входе приёмника;

K(t) – мультипликативная помеха (это переменный коэффициент передачи линии связи);

U_прд – напряжение на выходе передатчика;

x(t) – аддитивная помеха (тепловой шум, помеха от соседних передатчиков, помехи от различных технических устройств и т.п.).

Входное устройство – выделяет сигнал своего передатчика, отфильтровывает (не пропускает) сигналы соседних по частоте передатчиков и часть помех, усиливает сигнал.

Демодулятор – преобразует ВЧ модулированный сигнал в НЧ модулирующий (сигнал на выходе демодулятора, примерно, соответствует тому, что было на входе модулятора).

Декодер – а) принимает решение по каждой посылке (1 или 0);

б) декодирует кодовые комбинации, исправляет часть ошибок;

г) преобразует кодовые комбинации в сообщения удобные для получателя.

Получатель сообщения – человек, компьютер или другие технические устройства.

Входное устройство, демодулятор и декодер образуют приемник.

КОДЕР + ДЕКОДЕР = КОДЕК

МОДУЛЯТОР + ДЕМОДУЛЯТОР = МОДЕМ

КОДЕР+МОДУЛЯТОР+ДЕКОДЕР+ДЕМОДУЛЯТОР=КОДЕМ

С кодированием не следует путать шифрование сообщений. Цель шифрования состоит в предотвращении несанкционированного извлечения или преднамеренного изменения информации. При шифровании производится замена открытого сообщения шифрограммой (шифр-текстом), а при расшифровании происходит обратное преобразование. 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 гармоническое колебание A∙cos(ωt+φ) , которое имеет три параметра: амплитуду A , круговую частоту ω = 2πf и начальную фазу φ. Поэтому возможны три вида модуляции гармонического переносчика аналоговым сигналом: амплитудная модуляция (АМ), частотная модуляция (ЧМ) либо фазовая модуляция (ФМ), рис. 1.6.

Рис. 1.6. Несущее гармоническое колебание (а) и получаемые на его основе модулированные сигналы: АМ (б), ЧМ (в) и ФМ (г)

Во многих случаях роль переносчика в системах связи играет периодическая последовательность импульсов одинаковой формы (часто импульсы считают в первом приближении прямоугольными).

При заданной форме импульсов последовательность характеризуется амплитудным (пиковым) значением, длительностью импульсов и периодом повторения. Поэтому при аналоговом первичном сигнале различают:

– амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ), при которой по закону изменения первичного сигнала изменяется амплитуда импульсов;

– широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), при которой изменяется длительность («ширина») импульсов;

– время-импульсную модуляцию (ВИМ), при которой изменяется время задержки импульсов относительно среднего положения;

– частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ), когда в такт с первичным сигналом изменяется частота следования импульсов.

Широко применяют также модуляцию гармонического колебания квантованным (цифровым) первичным сигналом. Различают три вида дискретной (цифровой) модуляции (манипуляции): амплитудную (ДАМ, ЦАМ), частотную (ДЧМ, ЦЧМ) и фазовую (ДФМ, ЦФМ), рис. 1.7. Участок манипулированного сигнала, в течение которого модулируемый параметр постоянен, называется элементарной посылкой, или просто посылкой.

Рис. 1.7. Виды дискретной модуляции (манипуляции) гармонического колебания: ДАМ (а), ДЧМ (б), ДФМ (в)

Колебание при дискретной модуляции характеризуют технической скоростью (скоростью модуляции, скоростью телеграфирования), равной количеству элементарных посылок в секунду. Единицей измерения скорости модуляции является бод (1 бод соответствует одной посылке в секунду).

Демодуляция заключается в восстановлении первичного сигнала по принятому искаженному колебанию, а декодирование – в восстановлении дискретного сообщения по демодулированному сигналу.

Часто перед демодуляцией применяют дополнительное преобразование с целью повышения достоверности (уменьшения вероятности ошибки). Такое преобразование называют обработкой.

Оптимальной называется обработка, обеспечивающая наивысшую достоверность решения.

Если оптимальная обработка оказывается слишком сложной и/или дорогостоящей, применяют квазиоптимальную (субоптимальную) обработку, которая проще и дешевле и при этом обеспечивает достоверность, близкую к предельной. Часто квазиоптимальная обработка представляет собой фильтрацию принятого колебания с целью подавления помех.