1. Общие сведения о системах электросвязи Введение

Целью курса является изучение основных закономерностей и методов передачи сообщений по каналам связи. Основные задачи, решаемые в курсе:

• Математические модели сообщений, сигналов, и помех

• Методы формирования и преобразования (в том числе – цифровой обработки) сигналов в цепях электросвязи

• Анализ помехоустойчивости и пропускной способности систем электросвязи

• Методы экономного и помехоустойчивого кодирования

• Методы оптимального приема сообщений

• Принципы многоканальной передачи и распределения информации в сетях связи

• Вопросы анализа, синтеза, проектирования и оптимизации систем связи

Основы современной (статистической) теории связи были заложены в фундаментальных работах

• В.А. Котельникова по теории потенциальной помехоустойчивости (1947)

• К. Шеннона по теории информации (1948)

Отдельные важные вопросы теории связи рассматривались в работах

• Х. Найквиста (1928) и В.А. Котельникова (1933) – сформулирована и доказана теорема отсчетов

• Р. Хартли (1928) – введена логарифмическая мера количества информации

• Д.В. Агеева (1935) – по теории линейного разделения каналов

• А.Я. Хинчина (1838) – по корреляционной теории случайных стационарных процессов

• А.Н. Колмогорова (1941) и Н. Винера (1943) – по интерполированию и экстраполированию случайных стационарных последовательностей

• А. Вальда (1950) – по теории статистических решений

Дальнейшее развитие теория связи получила в работах Р. Райса, А.А. Харкевича в.И. Сифорова, Р. Галлагера, Х. Хелстрома, Р. Фано, Л.М. Финка, Д. Витерби и других ученых.

1.1. Информация, сообщения, сигналы

Информация – совокупность сведений, данных о каком-либо событии, явлении или предмете.

Для передачи и хранения информации используют знаки (символы), позволяющие выразить информацию в той или иной форме: цифры и другие математические знаки, буквы, слова и фразы, рисунки и т.д.

Совокупность знаков, отображающих ту или иную информацию, называется сообщением. Так, телеграфное сообщение – последовательность букв и цифр. Телефонное сообщение отображается непрерывным изменением звукового давления и отображает не только содержание, но и свойства речи – тембр, интонацию, ритм и т.д. Телевизионное сообщение формируется посредством изменения во времени яркости элементов изображения движущихся объектов.

Физический процесс, позволяющий передать сообщение от источника получателю, называется сигналом. В технике связи и системах управления обычно применяют электрические сигналы – токи и напряжения.

Первичный сигнал, отображающий сообщение, - обычно низкочастотный. Он получается на выходе датчика – преобразователя неэлектрической величины в электрическую. Например, - микрофон при передаче речи или телевизионная камера – при передаче телевизионного изображения. В некоторых случаях первичный сигнал непосредственно передают по линии связи. Например, - в городской телефонной сети.

Для передачи сообщений на большие расстояния (по кабелю или радиоканалу) используются высокочастотные сигналы – переносчики. Эти сигналы имеют параметры. Параметры разделяются на информационные и неинформационные.

Информация отображается в сигнале путем изменения его информационных параметров по закону передаваемой информации. Этот процесс называется модуляцией.

Сообщения и сигналы могут быть как непрерывными, так и дискретными. Непрерывные сигналы описываются непрерывными функциями времени, например - речь. Операция дискретизации по времени – взятия отсчетов, непрерывного сигнала превращает его в сигнал, непрерывный по уровню, но дискретный по времени. Дискретизация этого сигнала по уровню - квантование – дает цифровой сигнал, который в каждый момент взятия отсчета может принимать то или иное значение из дискретного ряда возможных значений.

Необязательно для передачи непрерывного сообщения используют непрерывный сигнал, а для передачи дискретного сообщения – дискретный сигнал. Например, непрерывные сигналы – переносчики часто применяют для передачи дискретных сообщений. Дискретные сигналы можно использовать для передачи непрерывных сообщений после дискретизации сообщений.

Сообщение, содержащее информацию, как и сигнал, передающий сообщение, - для получателя информации всегда случайный процесс (случайная функция времени). Детерминированные сигналы не могут быть носителями информации, но могут быть использованы для испытания системы связи и ее отдельных элементов.

Знание вероятностных свойств сигналов, сообщений и среды, по которой передается сигнал, позволяет оценить количество передаваемой информации и величину ее потерь.

Передача сигналов осуществляется по каналам связи, которые могут быть как открытого типа – радиоканалы в атмосфере, так и закрытого типа - проводные, кабельные.

Основными, с точки зрения передачи сигнала, являются следующие его параметры – длительность сигнала , егодинамический диапазон , иширина спектра .

Длительность определяет интервал времени, в течение которого он существует.

Динамический диапазон – это отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к той наименьшей мощности, которую надо отличать от нуля при заданном качестве передачи. Например, в радиовещании – 35…45 дБ.

Ширина спектра дает представление о скорости изменения сигнала в переделах его длительности. В технике связи возможная ширина спектра сигнала ограничиваетсяполосой пропускания частот линии связи. Например, для передачи речевого сигнала достаточна полоса от 300 до 3400 Гц. Необходимая ширина спектра телевизионного сигнала определяется требуемой четкостью телевизионного изображения. Спектр сигнала видеоизображения намного шире, чем спектр сигнала звукового сопровождения. Так, при стандарте в 625 строк верхняя частота видеосигнала достигает 6 МГц. Ширина спектра телеграфного сигнала , где- скорость передачи (в Бодах) – число символов, передаваемых в секунду. При телетайпной передачеБод, иГц. Спектр модулированного сигнала обычно шире, чем спектр передаваемого сообщения, и зависит от вида модуляции.

Объем сигнала характеризует возможности данного множества сигналов как переносчиков сообщений: чем больше объем сигнала, тем больше информации можно передать с его помощью и тем труднее передать сигнал по каналу связи с требуемым качеством.