книги / Теория электрической связи. Основные понятия

Г.И. Пахомов, В.И. Фрейман

ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Пермский государственный технический университет»

Г.И. ПАХОМОВ, В.И. ФРЕЙМАН

ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Пермь 2007

УДК 621.398

П12

Рецензенты:

главный инженер ОАО «Морион» (г. Пермь) канд. техн. наук С.Л. Макаренко;

президент Пермского регионального общественного отделения «Западно-Уральская академия информациологии»

общественной организации «Международная академия информатизации» канд. техн. наук, профессор В.В. Белоусов

Пахомов, Г.И.

П12 Теория электрической связи. Основные понятия : учеб. пособие / Г.И. Пахомов, В.И. Фрейман. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2007. – 115 с.

ISBN 978-8-88151-636-9

Рассмотрены математические модели и классификация сигналов, а также основные способы преобразования информации в системах связи. Проанализированы основные характеристики источников информации и каналов связи. Уделено внимание вопросам организации многоканальной связи и принципам построения современных цифровых систем связи.

Предназначено для студентов направления 210400 «Телекоммуникации», специальности 210406 «Сети связи и системы коммутации», а также для студентов других направлений и специальностей, изучающих аналогичные вопросы.

УДК 621.398

1.5.Определение и классификация сигналов………………………... 21

2.Математические модели сигналов и помех………………………….. 27

2.1.Общий подход к математическому описанию сигналов……….. 27

2.4.Графическое представление сигналов…………………………... 40

2.5.Геометрическое представление сигналов……………………….. 41

2.6. Числовые характеристики сигналов и помех…………………… 43

3.Модуляция носителей информации………………………………….. 48

3.1.Общие понятия о модуляции…………………………………….. 48

3.2.Амплитудная модуляция…………………………………………. 51

3.3.Угловая модуляция……………………………………………….. 56

3.4. Демодуляция сигналов…………………………………………… 59

3.5.Квадратурная модуляция…………………………………………. 61

3.6.Импульсная модуляция…………………………………………... 62

4.Дискретизация и квантование непрерывных сообщений…………... 69

4.1.Дискретизация по времени……………………………………….. 69

4.2.Квантование по уровню…………………………………………... 77

5.Характеристики и модели каналов передачи информации…………. 79

5.1. Анализ непрерывных каналов…………………………………… 79

5.2. Анализ дискретных каналов……………………………………... 82

6.Информационные характеристики источников сообщений

6.2.Характеристики источников сообщений………………………... 88

6.3.Характеристики каналов связи…………………………………... 91

6.4.Показатели эффективности систем связи……………………….. 95

7.2.Классификация кодов…………………………………………….. 97

7.3.Кодирование при отсутствии помех…………………………….. 99

8.Принципы организации многоканальной связи……………………... 103

8.1.Общий подход к построению многоканальных систем передачи………………………………………………………………... 103

8.2. Частотное уплотнение линии связи……………………………… 104

8.3.Временное уплотнение линии связи…………………………….. 106

9.Общие принципы построения современных цифровых систем передачи………………………………………………………………....... 109

9.1.Импульсно-кодовая модуляция………………………………….. 109

5

ВВЕДЕНИЕ

Телекоммуникации являются одной из наиболее динамично развивающихся отраслей на рынке современных информационных технологий. Постоянно растет потребность в квалифицированных специалистах в области связи. Поэтому специалисты с высшим профессиональным образованием по направлению «Телекоммуникации» достаточно востребованы на современном рынке труда.

При подготовке квалифицированных специалистов направления «Телекоммуникации» особое внимание уделяется изучению основных принципов построения и функционирования различных систем связи. Несмотря на то, что постоянно появляются новые и модернизируются старые информационные и аппаратно-программные средства телекоммуникационного оборудования, базовые принципы остаются практически неизменными. Поэтому одной из ключевых для подготовки специалистов по телекоммуникациям является дисциплина «Теория электрической связи», которая относится к циклу общепрофессиональных дисциплин.

Теория электрической связи – это наука о способах и методах представления, передачи, обработки и распределения информации. Ее особенностью является то, что информация передается в виде электрических или электромагнитных сигналов, поскольку электросвязь является наиболее эффективным средством передачи информации от источника к получателю.

Теория электрической связи включает в себя элементы других научных направлений, таких как теория сигналов, теория вероятности и математическая статистика, теория информации, теория цепей, электроника и схемотехника. Освоение теории электрической связи дает базовые сведения для изучения специальных дисциплин: «Сети связи», «Системы коммутации», «Теория телетрафика», «Системы документальной электросвязи». Поэтому изучение дисциплины «Теория электрической связи» является неотъемлемой частью подготовки специалистов по телекоммуникациям.

Внастоящем учебном пособии рассматриваются вопросы, связанные

сразличными способами преобразования информации при ее передаче от источника до получателя по каналам связи. Так, в частности, речь идет о классификации и математических моделях сигналов и каналов связи, различных формах и способах преобразования сообщений и сигналов, информационных характеристиках источников и каналов связи, способах организации многоканальной связи, принципах построения и основных характеристиках современных сетей связи.

Авторы надеются, что данное учебное пособие окажет существенную помощь студентам при изучении современных систем связи, а также при решении инженерных задач в предметной области.

6

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИСТЕМ СВЯЗИ

1.1. Задачи и терминология систем электросвязи

Выполнение задач, стоящих перед техникой связи, сводится к решению двух основных проблем. Первая – проблема эффективности связи: требуется передать наибольшее количество информации наиболее экономным способом. Теория электрической связи (ТЭС) позволяет сравнивать различные системы связи по эффективности, указывает резервы, за счет которых может быть повышена эффективность. Вторая – проблема помехоустойчивости связи. Вследствие влияния помех принятое сообщение будет отличаться от переданного. Степень соответствия переданного и принятого сообщений, выраженная в некоторой количественной мере, характеризует

помехоустойчивость передачи сообщений. При передаче дискретных сообщений (букв, цифр) приемник под воздействием помех может «спутать» действительно переданный символ с другим возможным, вследствие чего возникает ошибка.

Итак, проблемы повышения эффективности и помехоустойчивости – основные для связи. Постановка и разрешение их составляет основное содержание теории электрической связи. Следует подчеркнуть, что требования эффективности и помехоустойчивости в известном смысле противоречивы. Поэтому важную роль в курсе ТЭС играют методы построения оптимальных систем связи, позволяющие повысить скорость передачи информации и помехоустойчивость. Единство фундаментальной теории потенциальной помехоустойчивости академика В.А. Котельникова и теории информации американского математика К. Шеннона позволило создать современную статистическую теорию связи. Математический аппарат статистической теории связи разработан академиком А.Н. Колмогоровым – главой российской школы теории вероятностей.

Для удовлетворения потребностей современного общества создано множество систем электросвязи различного назначения, и число их продолжает расти. Все они необходимы для обмена информацией.

Под системой электросвязи понимают совокупность технических (аппаратно-программных) средств и среды распространения сигналов, обеспечивающих передачу сообщений от источника к потребителю (или потребителям).

Можно выделить основные субъекты любой системы связи: источник информации, приемник информации и канал связи, содержащий каналообразующую аппаратуру и среду распространения физических сигналов, содержащих информацию.

Таким образом, при характеристике систем электросвязи используются понятия – информация, сообщение, сигнал, которые имеют много общего и иногда используются как синонимы. Однако их надо раз-

7

личать для правильного понимания физических процессов обмена информацией в системах связи.

Вшироком смысле информация (лат. informatio – разъяснение, изложение) – это новые сведения об окружающем нас мире, которые мы получаем в результате взаимодействия с ним. Информация – одна из важнейших категорий естествознания (наряду с веществом, энергией и полем).

Информация в любой форме является объектом хранения, передачи

ипреобразования. В теории и технике связи в первую очередь интересуются свойствами информации при ее передаче, т. е. под информацией понимают совокупность сведений о явлениях, событиях, фактах, заранее не известных получателю. Чем большую новизну имеют сведения, тем больше количественное значение оценки информации. Информация должна иметь определенное воплощение.

Сообщение – форма (способ) представления информации. Это условные знаки, с помощью которых мы получаем те или другие сведения (информацию). Так, сведения о результате футбольного матча можно узнать из рассказа очевидца (условное сообщение) или прочитать в газете (письменное сообщение). При телеграфной передаче сообщением является текст телеграммы, представляющей собой последовательность различных букв

изнаков. При разговоре это последовательность звуков, при телевизионных передачах – изменение во времени яркости и цветности элементов изображения.

Множество возможных сообщений с их вероятностными характеристиками называется ансамблем сообщений. Выбор сообщений из ансамбля осуществляет источник сообщений. Процесс выбора является случайным, поскольку заранее не известно, какое сообщение будет передаваться. Сообщения, предназначенные для обработки в компьютерных информационных системах, принято называть данными. Однако сообщения в общем случае не могут быть непосредственно переданы по системе связи в соответствующий адрес и поэтому дополнительно преобразовываются в материальную форму – сигнал.

Сигнал (лат. signum – знак) – процесс изменения во времени физического состояния какого-либо объекта, служащий для отображения, регистрации или передачи сообщений. Поэтому сигнал можно считать материальным носителем (переносчиком) сообщений. В современной технике нашли применение электрические, электромагнитные, световые, механические, звуковые сигналы. Для передачи сообщений необходимо применять тот переносчик, который способен наилучшим образом преодолеть расстояние от источника к потребителю.

Всистемах электросвязи переносчиками, используемыми для передачи сообщений на расстояния, обычно являются переменный электрический ток, электромагнитное поле, световые волны. И это не случайно. Вопервых, скорость распространения в пространстве перечисленных пере-

8

носчиков приближается к предельной скорости распространения любых физических процессов (к скорости света в вакууме – 300 000 км/с). Во-вто- рых, с их помощью можно передавать огромное количество информации.

При передаче сообщений в одну сторону от отправителя к получателю, или от «точки к точке», используется двухточечный односторонний канал связи (симплексный режим). Если источник и получатель поочередно меняются местами, то для обмена сигналами необходимо использовать поочередный двухсторонний канал связи, допускающий передачу как в одну, так и в противоположную сторону (полудуплексный режим). Более широкие возможности для обмена сигналами предоставляет одновременный двусторонний канал связи, обеспечивающий одновременную передачу сигналов в противоположных направлениях (дуплексный режим).

При необходимости обмена сообщениями между многими отправителями и получателями, называемыми в этом случае пользователями или абонентами, требуется создание систем передачи сообщений с большим числом каналов связи. Это приводит к концепции системы передачи и распределения сообщений, т. е. системы связи в широком смысле. Такую систему обычно называют сетью связи (электросвязи), сетью передачи информации или сетью передачи сообщений. Примером такой сети может служить полносвязная сеть (рис. 1.1), где оконечные пункты (ОП) подключены друг к другу по принципу «каждый с каждым».

Данная сеть является некоммутируемой, и связь между абонентами осуществляется по постоянно закрепленным (некоммутируемым) каналам. Распределение информации в таких сетях обеспечивается специальными методами доступа или процедурами управления передачей информации, служащими для уведомления о том, какие абоненты будут осуществлять обмен сообщениями. При увеличении числа абонентов в многоточечной сети значительно возрастают задержки в передаче информации, а в полносвязных сетях

существенно увеличивается число линий связи и объем аппаратуры. Эти проблемы решаются путем использования коммутируемых сетей, где абоненты связываются между собой не непосредственно, а через один или несколько узлов коммутации. Таким образом, коммутируемая сеть представляет собой совокупность оконечных пунктов, узлов коммутации и соединяющих их линий связи.

Основная задача современных систем связи – обеспечение широкого круга пользователей (людей или организаций) разнообразными информационными услугами, в число которых входит, в первую очередь, эффективная доставка сообщений из одного пункта в другой, удовлетворяющая требова-

9

ниям по скорости, достоверности, времени задержки, качеству, надежности и стоимости.

Статистические характеристики потока вызовов изучаются методами теории массового обслуживания, в частности теорией телетрафика. Эта теория позволяет установить требования к узлам коммутации и числу линий, при которых гарантируется удовлетворительное качество связи при заданном проценте отказов или времени ожидания. Так, например, нагрузка телефонной сети зависит от количества, моментов времени возникновения

ипродолжительности телефонных разговоров.

Всовременных системах передачи информации проводные линии связи являются наиболее дорогостоящим звеном, поэтому возникает задача построения систем, использующих одну линию связи для передачи сообщений от нескольких источников. Такие системы называются многоканальными системами передачи (МСП).

Из рассмотренных ранее понятий и определений следует, что в любой системе связи должны быть устройства, осуществляющие преобразования между указанными формами представления информации.

1.2. Структурная схема одноканальной системы передачи информации

Итак, под системой электросвязи понимают совокупность технических (аппаратно-программных) средств и среды распространения сигналов, обеспечивающих передачу сообщений от источника к потребителю (или потребителям).

Из приведенных ранее определений следует, что в любой системе электросвязи должны быть устройства, осуществляющие следующие преобразования:

–при передаче: информация сообщение сигнал;

–при приеме: сигнал сообщение информация.

Кроме того, в процессе передачи сигнал подвергается и другим преобразованиям, многие из которых являются типовыми, обязательными для различных систем электросвязи, независимо от их назначения и характера передаваемых сообщений. Перечислим эти процессы и их основные черты применительно к обобщенной структурной схеме системы электросвязи, представленной на рис. 1.2.

Одноканальная система электросвязи содержит:

–один источник информации (ИИ),

–один получатель информации (ПИ),

–преобразователь сообщения в первичный электрический сигнал,

–преобразователь первичного электрического сигнала в сообщение,