книги / Многочастотные системы передачи дискретных сигналов
..pdfЮЛ.Ж УРАКОВСКИЙ &И.ВОЛОШИН
ЧА С ТО ТН Ы Е
КИЕВ
♦ТЕХНПСА*
1981
ББК 32.965.6 6Ф6.5 Ж91
Жураковский Ю. П., Волошин В. И. Ж91 Многочастотны системы передачи
дискретных сигналов.—К-: Техшка, 1981.
— 120 с., нл.—- Библиогр.: с. 118— 120. 35 к. 3000 экз.
В кипге прнпедсиы методы построения помсхоустойчивых миогочастотных снгнплоп, а также методы и схемы их формирования и приема. Рассмотрены схемы формирователей и приемников миогочастотных сигналов. Описаны миогочастотные системы передачи данных, их особенности и перспективы использования.
Рассчитана но инженерно-технических работников, занимающихся разработкой н эксплуатацией систем передачи данных, а также может быть полезной сту дентам вузов соответствующих специальностей
Л1, |
30404-024 |
72.81. 2402040000- |
ББК 32.965,0 |
Ж' |
М20 (04)-81 |
|
Рецензенты кандндатыклехп. наук,
A. С. Белима, Л. И. Щс/гпинатй
Редакция литературы по энергетике,
электронике, кибернетике и связи Зав. редакцией 3. В. Божко
Юрий Павлович Жураковский,
канд. техн. наук
Виталий Иванович ВолощШК,
канд. техн. наук
Многочастотные системы передачи дискретных сигналов
Редактор О. П. Веремейчик
Оформление художника В. Б. Ленкова Художественные редакторы Л. А. Дикарев, B. С. Шапошников
Технический редактор С. В. Иванус
Корректор Г. А. Высоцкая
(С ) Издательство «Техшка», 1981
Предисловие
Внедрение в народное хозяйство страны
автоматизированных систем управления (АСУ), развитие сети вычислительных центров, увеличение обмена информацией между ЭВМ требуют создания экономичных, простых и надежных в эксплуатации систем передачи дискретной информации.
Особенно в жно решить вопрос оснащения такими системами низовых звеньев АСУ, где потоки информации, как правило, передаются по каналам связи сравнительно невысокого качества, с высоким уровнем помех. Это, в основном, коммутируемые ведомственные и некоммутируемые физические линии связи. Уровень помех' в таких линиях связи значительно превышает уровень помех
иискажений в магистральных каналах связи.
Внастоящее время наиболее эффективными являются многочастотные системы передачи, обеспечивающие заданную помехоустойчивость при сравнительно высокой для данных каналов связи скорости передачи.
Впроцессе создания многочастотных систем передачи дискретной информации перед разработчиками возникает широкий круг проблем как научного, так и инженерного
характера. Это вызвано тем, что при разработке системы передачи конструктор должен руководствоваться не только техническими требованиями, предъявляемыми заказчиком к аппаратуре, но и объективными условиями, в которых
данная аппаратура должна функционировать в процессе эксплуатации. Руководствуясь этими требованиями и условиями, разработчик должен правильно выбрать метод кодирования информации, построить экономичные и надежные узлы формирования и приема частотных сигналов. Помочь разработчикам в решении этих вопросов ставят своей целью авторы данной книги. В настоящей книге предлагаются новые схемы, выполненные авторами, приводятся основные соотношения для их анализа и построения. При изложении материала книги уделялось внимание описанию физических процессов, протекающих в рассматриваемых устройствах.
Авторы выражают благодарность рецензентам книги — кандидатам техн. наук А. С. Белиме и Л. И . ' Гусятинскому, замечания которых были учтены при редактировании книги. Ю. П . Жураковский написал гл. 2, 4 и 5, гл. 1 и 3 написаны авторами совместно.
Отзывы и пожелания просим направлять по адресу: 252601, Киев, 1, ГСП, Крещатик, 5, издательство гТехмкаъ.
Глава 1
ХАРАКТЕРИСТИКИ СИГНАЛОВ И КАНАЛОВ СВЯЗИ ДЛЯ ПЕРЕДАЛИ
ДИСКРЕТНЫХ СООБЩЕНИИ
1.ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ
О^меи 11ж|>ормациеГ| между потребителями осущест вляется с помощью системы передачи, которая содержит
источник сообщения, канал связи и приемник сообщения. Сообщения можно разделить на две основные группы: документированные (текстовые, графические и т. п.) и 'недокументированные (звуковые, визуальные). Для эффек тивной передачи на расстояние сообщение преобразуют в сигнал, который является физическим носителем сообще ния. Это'преобразование производится в передатчике, затем сигнал поступает в канал связи, принимается приемником и преобразуется в сообщение. Для преобразования сооб щения в сигнал используют устройство модуляции (моду лятор), а для обратного преобразователя — устройство демодуляции (демодулятор).
В технике передачи данных в основном используют электрические сигналы. Количество информации, передавае мое сигналом, зависит от основных его параметров: поло
сы частот, мощности, длительности и |
некоторых |
других |
характеристик. Значительное влияние |
оказывает |
также |
уровень помех в канале связи. |
|
|
По степени, вероятности ожидаемых |
значений |
разли |
чают детерминированные и случайные сигналы. Сигнал, параметры и мгновенное значение которого в любой момент времени можно предсказать с вероятностью единицы, на зывают детерминированным. К таким сигналам относят, например,'импульсы или пачки импульсов, форма, величи на и положение во времени которых известны, а также непрерывный сигнал о заданными амплитудами и фазовы ми соотношениями внутри его спектра. Среди детермини рованных сигналов можно выделить периодические и
б
непериодические сигналы. Под периодическим понимается любой сигнал, для которого выполняется условие 5(/) =*
=э(1 + кТ), где Т — период повторения, к — целое число. Гармоническое колебание является простейшим перио
дическим детерминированным сигналом:
|
5 (0 ав Л0соз(со0* + ф0) |
при |
— со < I < оо, |
(1.1) |
где |
Л0, ©0 иф 0— соответственно амплитуда, угловая |
час |
||
тота |
(<й0 = 2 л/Т ) и начальная |
фаза |
гармонического |
коле |
бания. |
|
|
|
|
Непериодический детерминированный сигнал — это лю бой детерминированный сигнал, для которого не выполня
ется условие 5(0 = 5(/ + кТ). Такие сигналы, |
как прави |
ло, ограничены во времени, например широко |
используе |
мые в практике импульсы, пачки импульсов, отрезки гар монических колебаний и т. д.
Как периодический, так и непериодический сигналы, характеризуются своими спектральными функциями. Слу чайные сигналы описываются случайными функциями вре мени. Считается, что значения и параметры случайных сигналов заранее неизвестны и могут быть предсказаны лишь с некоторой вероятностью меньшей единицы. По осо бенностям структуры временного представления все сиг налы делятся на дискретные и непрерывные.
К дискретным относят сигналы, элементы, которых име ют четкие границы и могут быть легко определены. Мате матически дискретные сигналы описывают разрывными функциями времени. Непрерывные сигналы четких границ не имеют, их элементы, сливаясь друг с другом, образуют единый электрический процесс. В качестве примера диск ретных сигналов можно привести телеграфные, а непре рывных — речевые.
Одним из основных параметров сигнала является его дли тельность, определяющая интервал времени, в пределах которого сигнал существует. Внутри интервала существо вания сигнал характеризуют динамический диапазон и ско рость изменения сигнала. Динамический диапазон опре деляется как отношение наибольшей мгновенной мощностисигнала к наименьшей. Д ля удовлетворительной передачи необходимо, чтобы наименьшая мощность сигнала превыша ла мощность помех. Логарифм этого отношения называется защищенностью или превышением сигнала над помехой. Для многих сигналов можно указать диапазон частот, в пределах
которого сосредоточена его основная энергия. Этим диапа зоном и определяется ширина спектра сигнала.
Аналитически сигнал можно представить функцией $(/), определяющей его мгновенные значения, или функцией $(/'о)) частоты о), определяющей все его спектральные со ставляющие. Эти функции связаны преобразованиями Фурье:
3 (/'<»)“ ) |
(1.2) |
Н1) = % 1 5 (/«)>««</«. |
(1.3) |
Функция (1.2), определяемая прямым преобразованием Фурье, являекя комплексной величиной и называется ком плексной спектральной плотностью или спектром сигнала. Из выражений (1.2) и (1.3) можно определить длительность н ширину спектра сигнала. Если функции, описывающие сигналы, не имеют четких спектральных и временных гра ниц, то в таких случаях ширину спектра и длительность сигнала условно определяют соответственно как полосу частот и интервал времени, в которых сосредоточена за данная доля сигнала.
Так как аппаратура и линия связи имеют ограниченную полосу пропускаемых частот, на практике часто ограничи вают спектр сигнала, учитывая его допустимые искажения. Как правило, принято отбрасывать высшие спектральные составляющие, энергия которых не превышает 5—10/6 энергии сигнала.
Для проектирования систем передачи очень важными характеристиками сигнала являются его мощность и энер
гия. Среднюю мощность сигнала, выделяемую на |
нагруз |
ке сопротивлением в 1 Ом за интервал времени Т = |
/8 — |
определяют выражением |
|
Р = . 1 | [ 5 0 ) ) ! <й. |
(1 .4) |
Величина р{1) — [5(I)}2 является мгновенной мощностью сигнала.
Энергия сигнала выделяемая в том же сопротивлении и за тот же интервал времени,
г |
( 1-5) |
] [а(01*Л. |
|
Если сигнал представлен спектральной |
функцией (1.2 |
или 1.3), энергия сигнала определяется как функция час тоты:
Э “* 2Н Л 5 (0 5 (/®) |
(I-6) |
|
где |
|
|
| |
5(0 е/ы(И = 5* (/со). |
|
Если величина 5* (/©), комплексно сопряжена о 5 (/о>), то |
||
из выражения (1 .6) |
получаем |
|
3 №»)$*(/•) <*»-М |
|5(Л*>)1аА®, (1.7) |
|
так как произведение двух сопряженных комплексных чисел равно квадрату модуля.
При построении многцчастотных систем передачи ин формации очень важно знать взаимодействие сигналов, передаваемых в канал связи одновременно. Рассмотрим простейший случай взаимодействия двух сигналов а,(/) и 5^(0, имеющих спектральные функции 3 1(/(о) и $ 8(/й>). Вы деляющаяся при суммировании двух сигналов энергия
и |
и |
I, |
Э= |
+ (<)1>А—I [«, (0Г<Й+ 1 (5,(1)\Ч<+ |
|
1 |
' |
|
1 |
|
+ 2 ^ |
1 (0 *,(0 А = |
5 1 + Э , + |
2 Эи . |
(1 .8) |
и |
|
|
|
|
По аналогии |
определяется |
мощность |
взаимодействия |
|
двух сигналов:
Р- 1 (0 + 5. (01*<« = Л + Л + 2Р,Г (1.9)
В выражениях (1.8) и (1.9) Эи Э3 и Р и Рг — энергия и мощность соответственно первого и второго сигналов; Э 1а и Р 13 — энергия и мощность взаимодействия двух сиг налов.
Энергия взаимодействия двух сигналов, исходя из задан ных спектральных функций, определится по аналогии в
|
3 = 4 ] ' |
15. (/<■>)+ 5,(/ш)|!Л>. |
|
||
Учитывая, |
что |
|
|
|
|
(5, (До) + |
5 2 (/01)1= » |
[5* (/ш) -н 5 а (До)]|5* (До) + |
5 ! (/о,)), |
||
получаем |
|
|
|
|
|
э = 4 |
( / “ |
) 5Г (/'<■>) л » -Г |
й ] ' 5 . ( / » ) 5! О») |
+ |
|
+ & Ц |
О " |
) (/“ ) + |
5 . (/<■>) 5Г (/«)] 4<о. |
( 1 .10) |
|
В соответствии с выражением (1.7) энергия взаимо действия двух сигналов
| 5, (0 (О Ш - ^ | 15, </«>) 5?(/о) + 5, (/<■>) 5?(/»)] <&>.
( 1. 11)
Подставив значения спектральных функций в показатель ной форме после простых алгебраических преобразований и применения формулы Эйлера для косинуса, получим
] |
1 |
(/со) К5а(/со) |соз(срх — ф,)^со. |
( 1. 12)
Из выражения (1.10) следует, что общая энергия, вы деляемая двумя колебаниями при сдвиге фаз меньше л/2 , может быть больше суммы энергий отдельных колебании 1см. выражение (1.12)]. При сдвиге фаз более.л/2 общая
энергия может, наоборот, уменьшиться, так как при этом третий член в выражении (1.10) будет отрицательным.
Два сигнала, между которыми существует функцио нальная зависимость, называют когерентными. Если такой зависимости нет, то такие сигналы нёкогерентны, Энергия взаимодействия таких сигналов равна нулю. Некогерент ные сигналы всегда ортогональны, т. е. для них
$ М 0 М 0 - 0 .
Однако ортогон льные сигналы не обязательно неко герентны. Например, сигналы (/) = 1/1со$а)1 и $2(/) = = С/251П0)/ ортогональны, ио когерентны, так как
|
52 (I) = и , |
] Л - 1 М 0 Г / У ; , |
г. е. сигнал |
вг (/) всегда |
однозначно можно выразить |
через 5Х(I) и |
наоборот. |
|
В многочастотных системах передачи информации при передаче в канал связи одновременно тч частот, где т ч > 2, может возникнуть необходимость определения энергии взаимодействия шп частот.
2.ПОМЕХИ И БОРЬБА С НИМИ
Помехой называют постороннее возмущение, действую щее в канале связи. При наложении на полезный сигнал помеха затрудняет его прием. В настоящее время разрабо таны разнообразные методы борьбы с помехами. В общем виде влияние помехи т{1) на передаваемый сигнал ч(1) можно выразить функцией
И 0 = Ч'[5 (/), »(<)].
Если результат воздействия помехи на сигнал можно рас сматривать как простое сложение с сигналом
С ( 0 « * ( 0 + ®Ю.
то помеха называется аддитивной. Если же результирую щее напряжение можно представить в виде произведения
С (0 = 5 ( 0 » ( 0 .
то помеху называют мультипликативной. В реальных ка налах связи обычно имеются и аддитивные и мультипли-