Учебное пособие по дисциплине СиСПИ

Сигнал – это материально-энергетическая форма представления информации. Другими словами, сигнал – это переносчик информации, один или несколько параметров которого, изменяясь, отображают сообщение.

Цепь “информация – сообщение – сигнал” – это пример процесса обработки, необходимой там, где находится источник информации. На стороне потребителя информации осуществляется обработка в обратном порядке: “сигнал – сообщение – информация”.

Существует несколько физических характеристик, общих для любого сигнала. Физическая характеристика сигнала – это описание любым способом его свойств.

Сигнал может быть характеризован различными параметрами. Для систем передачи имеют важное значение лишь три основных параметра: время передачи Тс, динамический диапазон изменения мощности сигнала от максимального Рс макс. до минимального Рс мин. значения и ширина полосы частот спектра ∆Fс.

Время передачи сигнала Тс характеризуется тем, что для передачи сигнала, несущего большую информацию, при прочих равных условиях, требуется и большее время.

Динамическим диапазоном характеризуют пределы изменения мощности сигнала. Оценивают динамический диапазон логарифмом отношения крайних значений мощности сигнала Рс макс./Рс мин., т.е.

Полученное при этом значение динамического диапазона выражается в децибелах (дБ).

Третий параметр – ширина полосы спектра частот сигнала ∆Fc также связана с объемом информации, которую несет сигнал. Ширина полосы частот равна разности максимальной и минимальной частотных компонент сигнала:

10

первичного сигнала, модуляцию, кодирование, сжатие данных и т. д.

Приемник производит обработку сигналов X(t)=S(t)+ξ(t) на выходе канала с целью наилучшего воспроизведения (восстановления) переданных сообщений А на приемном конце.

Канал (в узком смысле) — это среда, используемая для передачи сигналов от передатчика к приемнику. Источник сообщений моделируется последовательностью реализаций сообщения А={Ai}ni=1, которые могут быть либо дискретными, либо непрерывными.

Практически при изучении СПИ удобно операции кодирования и модуляции (соответственно декодирования и демодуляции) разделить и представить модель СПИ в виде развернутой схемы (рис. 1.6). Эта модель также является достаточно общей и может быть использована для представления системы передачи как дискретных, так и непрерывных сообщений.

Рис.1.6 Развернутая обобщенная модель СПИ.

Кодек источника, включающий в себя кодер и декодер, преобразует сообщение в код (кодирование) и код в сообщение (декодирование). В простейшем случае это преобразование заключается в том, что сообщение, вырабатываемое источником, заменяется последовательностью кодовых (обычно двоичных)

14

символов. В более общем случае кодирование осуществляется с учетом статистических свойств передаваемых сообщений с целью уменьшения избыточности источника («сжатия» данных).

Кодек канала, как и кодек источника, содержит устройства кодирования и декодирования. Его назначение – за счет вводимой избыточности уменьшить ошибки, которые возникают при передаче двоичных символов по каналу. Кодек должен согласовывать источник и получатель сообщений с дискретным каналом как по объему алфавита, так и по избыточности. Дискретный канал образуется из непрерывного канала путем включения в него модема. Непрерывный (аналоговый) канал включает в себя линию связи (канал в узком смысле) и высокочастотные блоки передатчика и приемника. В модеме происходят формирование и обработка сигналов, передаваемых по непрерывному каналу, т. е. преобразование кода в сигнал и обратно. Формирование сигнала обычно осуществляется с помощью модуляции. В СПИ, в которых, используются мощные коды с избыточностью, основным назначением модуляции (модема) является создание наилучшего канала для системы кодирования, в современных СПИ наметилась тенденция к слиянию модема и кодека на основе наиболее эффективного приема сигналов «в целом», т. е. тенденция комплексного решения задачи оптимального преобразования сообщения в сигнал и обратно. В общем случае кодирование и модуляцию необходимо рассматривать как единый процесс формирования наилучшего сигнала, а процесс демодуляции и декодирования — как процесс наилучшего приема сигналов.

Кодеки, и модемы в СПИ выполняют задачу согласования (в информационном отношение) источника сообщений с непрерывным каналом связи. Поэтому при проектировании СПИ их необходимо рассматривать в совокупности как взаимосвязанные подсистемы. Цель состоит в том, чтобы обеспечить наиболее эффективную передачу сообщений от источника к получателю.

15

Современные СПИ обычно являются многоканальными или системами с многими доступами (многими пользователями). Структурная схема таких систем приведена на рис. 1.7.

Рис. 1.7 Структурная схема СПИ с многими доступами

Сообщения от п источников а1 а2, ..., ап преобразуются (в общем случае с помощью кодирования и модуляции) в канальные сигналы u1(t),u2(t),…,un(t). Эти сигналы сначала передаются по отдельным индивидуальным каналам (ИК), а затем смешиваются, образуя групповой сигнал U(t), который передается по общему каналу (ОК). В состав ОК может входить один или несколько ретрансляторов. На приемной стороне с помощью

которым восстанавливаются соответствующие им сообщения.

Канальные сигналы выбирают так, чтобы их можно было разделить на приеме. Необходимым и достаточным условием разделения сигналов, как известно, является условие их линейной независимости. Достаточным является условие их ортогональности. В СПИ широко используют три способа разделения сигналов: по частоте, по времени и по форме. В первом случае каждому сигналу предоставляется отдельная полоса частот и спектры канальных сигналов не перекрываются. Во втором случае сигналы не перекрываются по времени. В третьем случае

16

сигналы отличаются по форме. Они занимают общую полосу частот и передаются одновременно.

Понятия «системы с многими доступами» и «многоканальные системы» аналогичны, хотя и не совпадают. Понятие «многодоступность» является более общим, так как оно охватывает не только процедуру разделения сигналов, но и порядок включения передатчиков. Примерами систем с многими доступами могут служить традиционные многоканальные телефонные и телеграфные системы связи, а также асинхронно-адресные системы. В последнем случае канальные сигналы содержат информацию не только о передаваемом сообщении, но и о номере источника сообщений (адрес источника). Система с многими доступами, которая представлена на рис. 1.7, соответствует случаю, когда источники сообщений значительно удалены друг от друга. Групповой сигнал здесь формируется в два этапа. Сначала в каждом из передатчиков формируются канальные сигналы, а затем происходит их суммирование.

Если источники сообщений расположены близко друг к другу, то сообщения от отдельных источников можно подать на общий передатчик и сразу сформировать групповой сигнал. Такая система имеет много общего с передачей сообщений от одного источника.

1.1.3 Дискретизация непрерывного сигнала

Замена непрерывного сигнала совокупностью выборок (без потери информации) основана на теореме отсчетов (теорема Котельникова): если наивысшая частота в спектре оригинала s(t) меньше чем частота дискретизации Fm, то сигнал s(t) полностью определяется последовательностью своих значений в моменты времени, отстоящие друг от друга не более чем на

1/2Fm сек.

17

В этом выражении l/2Fm =∆t обозначает интервал между двумя отсчетными, a s(n/2Fm) = s(n∆t) — выборки функции s(t) в моменты времени t= n∆t.

Представление заданной функции s(t) рядом (1.3) иллюстрируется рис. 1.8

Рис.1.8. Представление сигнала в виде ряда Котельникова

Функция вида

18

обладает следующими свойствами:

в точке t = n∆t φn(n∆t) = 1, а в точках t =k, где k — любое целое, положительное или отрицательное число, отличное от п, φn(k∆t) = 0;

спектральная плотность функции φ0(t) равномерна в по-

ция φn(t) отличается от φ0(t) только сдвигом на оси времени на величину n∆t, то спектральная плотность функции φn(t).

рис.1.9 (сплошной линией).

Рис.1.9 Связь между спектром сигнала s(t) и спектром функции n (t)

19