Крухмалев В.В., Гордиенко В.Н. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей, 2004

дующие значения 7]т = 0,33, ЛГТ = 3400 - 300 = 3100 Гц, \Л/срТ = = 88 мкВтО и мощность помехи \А/П =0,1 мкВтО (что вполне реально),

получим /г = 10 ООО бит/с.

Сигналы звукового вещания

Источниками первичных сигналов звукового вещания являются высококачественные микрофоны. Эти сигналы представляют чередование сигналов различного вида: речи (особо следует выделить речь дикторов), художественного чтения (сочетания речи и музыки), вокальных и инструментальных музыкальных произведений от сольного исполнения до симфонических оркестров.

Частотный спектр сигналов вещания занимает полосу частот от 15 (звук барабана) до 20 000 Гц. Однако в зависимости от требований к качеству воспроизведения эффективно передаваемая полоса частот (ЭППЧ) АГзв, отводимая для передачи сигналов вещания, может быть значительно ограничена. Для достаточно высокого качества воспроизведения сигналов звукового вещания его ЭППЧ должна составлять 50... 10 000 Гц. Для получения безукоризненного воспроизведения программ вещания полоса частот сигнала вещания должна составлять 30... 15 000 Гц.

Значение средней мощности сигнала вещания 1/Уср. ^ существенно зависит от интервала усреднения. В точке с нулевым относительным уровнем мощность сигнала составляет 923 мкВтО при усреднении за час, 2230 мкВтО - за минуту и 4500 мкВтО - за секунду. Максимальная мощность сигнала звукового вещания №макс ж в этой же точке составляет 8000 мкВтО.

Динамический диапазон сигнала вещания 0зв весьма широк, так как должны быть переданы сигналы минимальной мощности (например, шорох листьев в тихую летнюю ночь) и максимальной (например, рев моторов взлетающего лайнера), и достигает величины 100...110 дБ. Динамический диапазон речи диктора равен 25...35 дБ, художественного чтения - 40...50 дБ, небольших вокальных и инструментальных ансамблей - 45...55 дБ, симфонического оркестра - 60...65 дБ.

При определении динамического диапазона сигнала вещания максимальным считается такой его уровень мощности, вероятность превышения которого составляет 2 %, а минимальным - уровень, вероятность превышения которого равна 98 %.

Для качественной передачи сигналов звукового вещания и их восприятия обходятся динамическим диапазоном Ц,в = 65 дБ.

Потенциальная информационная емкость сигнала звукового вещания при реальных значениях помех в зависимости от ширины ЭППЧ лежит в пределах 140...200 кбит/с.

Факсимильные сигналы

Факсимильная связь - вид электросвязи, обеспечивающей передачу неподвижных изображений: фотографий, чертежей, текстов (в том числе и рукописных), газетных полос и др. Первичные фак-

изображения, в электрические. Упрощенная схема одной модели формирования первичного факсимильного сигнала приведена на рис. 2.

Передаваемое изображение на листе соответствующего формата накладывается на барабан передающего факсимильного аппарата, который находится на валу электрического двигателя Д; оптическая система передающего факсимильного аппарата, состоящая из осветительного элемента - ОЭ (светодиод, лазерный диод), системы оптических линз Ль Л2, создает на поверхности изображения яркое световое пятно малого диаметра, которое перемещается вдоль оси барабана.

При вращении барабана световое пятно по спирали обегает барабан и, следовательно, сканирует все элементы изображения. Отраженный элементами изображения световой поток воздействует на фотоэлемент ФЭ, создавая в его цепи тем больший ток, чем светлее (белее) элемент изображения. В результате в цепи ФЭ получается пульсирующий ток мгновенное значение которого определяется отражающей способностью элементов изображения.

Далее ток факсимильного сигнала поступает на «Передатчик», согласующий параметры сигнала с параметрами канала передачи и, следовательно, формирующий первичный факсимильный сигнал.

С выхода канала передачи факсимильный сигнал поступает в «Приемник» и затем на осветительный элемент - ОЭ (светодиод или лазерный диод) приемного факсимильного аппарата. Интенсивность светового потока ОЭ пропорциональна мгновенному значению сигнала на выходе «Приемника». Пучок света фокусируется

системой линз Л3 и подается на барабан приемного аппарата, на котором закреплена светочувствительная бумага. Барабан приемного аппарата вращается синхронно и синфазно с барабаном передающего аппарата. Световое пятно так же, как и в «Передатчике», перемещается вдоль оси барабана по светочувствительной бумаге и формирует копию передаваемого изображения.

Рис. 2. Структурная схема формирования и передачи факсимильного сигнала

Частотный спектр факсимильного сигнала определяется характером передаваемого изображения, скоростью развертки (вращения барабана) и размером анализирующего светового пятна. Максимальная частота факсимильного сигнала получается при чередовании черных и белых полей изображения, ширина которых равна

где О - диаметр барабана, мм; Л/ - число оборотов барабана в минуту, об/мин; диаметр светового анализирующего пятна, мм.

Международным союзом электросвязи (МСЭ) рекомендованы следующие параметры факсимильных аппаратов: N = 120, 90 и 60 об/мин; диаметр барабана О = 70 мм и диаметр светового пятна с/= 0,15 мм.

передаче газетных полос частота сигнала достигает 180...250 кГц.

При передаче реальных изображений получается первичный сигнал сложной формы, энергетический спектр которого содержит частоты от 0 до fф. В зависимости от характера изображений они подразделяются на штриховые, содержащие две градации яркости, и полутоновые, число градаций которых определяется требованиями качества передачи факсимильного сообщения.

Динамический диапазон сигнала, соответствующего передаче полутоновых изображений, составляет приблизительно = 25 дБ.

Пик-фактор факсимильного сигнала Оф определяется из соотношения

Оф = 20 1д (имакс, ф/ иСр. ф),

где има1<с.ф и иср. ф - максимальное и среднеквадратическое значения напряжения факсимильного сигнала соответственно. Пикфактор факсимильного сигнала определяется из следующих рассуждений. Предположим, что все градации яркости полутонового изображения равновероятны, т.е. появление /-й градации р, = 1/к, где к - количество градаций яркости, обеспечивающих заданное качество передачи. Перенумеруем в порядке возрастания уровни сигнала, соответствующие различным градациям яркости таким обра-

При к = 16 пик-фактор факсимильного сигнала будет равен Оф = = 4,4 дБ. Заметим, что увеличение числа градаций яркости мало влияет на рост пик-фактора. Несложно показать, что при к - > <*> пикфактор стремится К величине Омане, Ф = 4,8 дБ.

Динамический диапазон факсимильных сигналов, согласно вы-

Необходимая защищенность полутоновых сигналов, как и штриховых, равна Азф = 35 дБ. При этом потенциальная информационная емкость факсимильных сигналов будет равна

где число градаций для штриховых изображений равно к = 2. Одним из важнейших видов факсимильной связи является переда-

ча газет в пункты их печатания. Для этого используются специальные высокоскоростные факсимильные аппараты, обеспечивающие высокое качество копий за счет существенного увеличения четкости - уменьшения диаметра анализирующего пятна до 0,04...0,06 мм. Для типовой аппаратуры передачи газетных полос наивысшая частота сигнала достигает 180 кГц, а время передачи газетной полосы 2,3...2,5 мин. Изображение газетной полосы является штриховым, т.е. к = 2. Информационная емкость такого сигнала, согласно (11), равна 360 кбит/с.

Телевизионные сигналы

Первичный телевизионный сигнал формируется методом электронной развертки с помощью развертывающего луча телевизионной передающей трубки, преобразующей оптическое изображение в

видеосигнал, или сигнал яркости.

Подвижное изображение передается в виде мгновенных фотографий - кадров, сменяющих друг друга. Причем для создания эффекта плавного движения передается Zк = 25 кадров в секунду. Каждый кадр разлагается на строки, число которых определяется установленными стандартами. В широко распространенном стандарте каждый кадр раскладывается на = 625 строк. Чтобы смена кадров на экране приемной телевизионной трубки (кинескопе) была незаметной (без мерцаний), число изображений должно составлять не менее 50 кадров в секунду. А это требует увеличения скорости развертки, что усложняет оборудование формирования и передачи телевизионных сигналов. Поэтому для устранения возможного мерцания каждый кадр передается в два этапа: сначала передаются только нечетные строки, а затем - четные. В результате на экране кинескопа создается кадр из двух изображений, называемых полями, или полукадрами. Число последних в секунду составляет 50, и смена изображений становится незаметной и, благодаря этому, формируется немерцающее изображение. Вследствие инер-

ционности зрения передача 50-ти полукадров в секунду воспринимается как слитное движущееся изображение.

На время смены строк и кадров развертывающий луч приемной трубки должен быть погашен. Для чего на управляющий электрод трубки подается напряжение, равное напряжению видеосигнала при передаче черного поля. Передающая телевизионная камера

поэтому дополняется устройствами, которые доводят напряжение сигнала во время обратного хода луча до величины, соответствующей напряжению видеосигнала при передаче черного поля. Возникающие при этом импульсы напряжения называются гасящими

импульсами.

Движение развертывающих лучей передающей и приемной телевизионных трубок должно быть синхронным и синфазным. Для этого от передатчика телевизионного сигнала к его приемнику передаются синхронизующие импульсы, в моменты перехода луча от конца одной строки к началу следующей передаются импульсы строчной синхронизации, а в моменты перехода от конца каждого кадра (полукадра) к началу другого - импульсы кадровой синхронизации. Чтобы синхроимпульсы не создавали помех изображению, их передают в то время, когда луч кинескопа погашен, т.е. во время передачи гасящих импульсов.

Разделение синхронизирующих и гасящих импульсов в приемнике осуществляется по уровню: если гасящие импульсы передаются с уровнем, соответствующим уровню видеосигнала при передаче черного поля, то синхроимпульсы передаются с уровнем, соответствующим уровню видеосигнала, который получался бы при передаче поля «чернее черного».

Обобщенная структурная схема формирования телевизионного сигнала приведена на рис. 3, где приняты следующие обозначения:

ГСР - генератор строчной развертки и ГКР - генератор кадровой развертки передающей и приемной телевизионных трубок; ГССИ - генератор строчных синхроимпульсов; ГКСИ - генератор кадровых синхроимпульсов; ЗГ - задающий генератор; ГСГИ - генератор строчных гасящих импульсов; ГКГИ - генератор кадровых гасящих импульсов; ВУ - видеоусилитель тракта передачи и тракта приема; Пер - передатчик телевизионных сигналов и сигналов звукового сопровождения; ЗС - оборудование формирования сигналов звукового сопровождения тракта передачи и тракта приема; КП - канал передачи; Прм - приемник телевизионных сигналов и сигналов звукового сопровождения; ССИ селектор синхроимпульсов.

Рис. 3. Обобщенная структурная схема формирования телевизионного сигнала

Следовательно, первичный телевизионный сигнал, поступающий на вход передатчика телевизионного канала, представляет последовательность импульсов с непрерывно изменяющейся амплитудой (напряжением). Эти импульсы повторяются с частотой следования строк Гс = ZK^ZC = 25-625 = 15 625 Гц, а время передачи одной строки равно 1/Гс = Тс = 64 мкс. В промежутках между ними передаются импульсы строчной и кадровой синхронизации, имеющие постоянные амплитуды.

Ширина спектра первичного телевизионного сигнала может быть определена следующим образом. Максимальная частота спектра соответствует передаче чередующихся черных и белых квадратных элементов изображения. Вертикальный размер элементов определяется размером строки. Учитывая, что ширина кадра относится к его высоте как 4/3, нетрудно определить число элементов М, содержащихся в одной строке: оно равно М = (4/3)-2/. Учитывая, что в секунду передается 25 кадров (50 полукадров, состоящих поочередно из четных и нечетных строк изображения), общее число элементов, передаваемое за секунду, будет равно 25М. Время передачи одного элемента, следовательно, будет равно т= М25М = = 3 / (4-6252-25) = 0,083 мкс. Максимальная частота спектра телевизионного сигнала будет равна Рмакс= 1/2г= 1/2- 0,083-Ю"6 = 6 МГц. Таким образом, полагая нижнюю граничную частоту телевизионного спектра равной 50 Гц (частота смены полукадров), общая ширина спектра телевизионного сигнала принимается равной 50 Гц...6 МГц с учетом передачи сигналов звукового сопровождения.

Энергетический спектр телевизионного сигнала имеет дискретный характер, максимумы энергии которого сосредоточены вблизи

гармоник частоты строк nFc (п = 1,2, 3,...). Однако практически вся энергия сигналов яркости сосредоточена в диапазоне от 0...1.5 МГц. Эта особенность видеосигнала используется при организации видеотелефонной связи, организуемой в полосе частот от 50 Гц до 1,2...1,5 МГц.

Защищенность сигналов яркости от помех должна быть не менее 48 дБ. Число градаций яркости телевизионного сигнала приблизительно равно к = 100 и согласно (10) динамический диапазон видеосигнала будет равен DTB = 40 дБ. Пик-фактор сигнала, как было показано при рассмотрении полутонового факсимильного сигнала (9), не превышает 4,8 дБ, а потенциальный информационный объем телевизионного сигнала равен (11) 1Тв = 6,64 6,0-106 lg 100 « 80 Мбит/с.

Все рассмотренное выше справедливо для сигналов чернобелого телевидения. Сигналы цветного телевидения имеют некоторые особенности.

В основе цветного телевидения лежат следующие физические процессы: оптическое разложение многоцветного изображения с помощью специальных

цветных светофильтров на три одноцветных изображения в основных цветах -

красном (R- red), зеленом (G - green) и синем (В - Ыие)\

преобразование трех одноцветных изображений в передающей телевизионной трубке в соответствующие им три электрических сигнала ER, Ес, Ев\

передача этих трех электрических сигналов по каналу связи; обратное преобразование электрических сигналов изображения в специальном

кинескопе (приемной телевизионной трубке) в три одноцветных оптических изображения красного, зеленого и синего цветов; каждый цвет характеризуется двумя параметрами: яркостью и цветностью (насыщенностью); напомним, что в чернобелом телевидении при развертке изображения меняется только яркость освещения его отдельных элементов, и передаваемый сигнал является сигналом яркости;

оптическое сложение в определенных пропорциях трех одноцветных изображений в одно многоцветное, при котором формируется сигнал яркости Еу

При наличии сигнала Ег не обязательно передавать три цветовых сигнала: Ер, Ев, Ев. Достаточно передать любые два из них. Обычно в системах цветного телевидения исключается самый широкополосный сигнал - зеленый Ес, поскольку в яркостном сигнале содержится 59 % зеленого. Вычитая из EG и Ев полученный сигнал яркости, получают так называемые цветоразностные сигналы. Максимум энергии сигнала яркости группируется в диапазоне нижних частот. Амплитуды составляющих сигнала в диапазоне верхних частот очень малы. Именно в этом диапазоне яркостного сигнала с помощью поднесущих частот помещаются цветоразностные сигналы, образуя сигналы цветности. Уплотняемые таким способом в общем частотном спектре сигнал яркости и цветоразностные сигналы могут создавать взаимные помехи. Для уменьшения влияния высокочастотных составляющих яркостного сигнала на цветоразностные сигналы поднесущая частота выбирается в верхнем диапазоне частот (где составляющие сигнала яркости очень малы и амплитуда поднесущей берется больше амплитуд этих составляющих). В то же время амплитуда поднесущей должна составлять не более 23 % от максимальной амплитуды яркостного сигнала.

Таким образом, яркостный сигнал и два цветоразностных сигнала занимают стандартную полосу частот телевизионного сигнала без заметного взаимодействия между собой.

На рис. 4 приведен фрагмент осциллограммы одной строки полного телевизионного (ТВ) сигнала с указанием его основных параметров.

Существует несколько систем цветного телевидения, различающихся между собой в основном способами модуляции поднесущих частот цветоразностными сигналами. В нашей стране нашла применение система SEKAM (СЕКАМ) (от фр. Séquentiel couleurs a memoire - последовательная передача цветов с запоминанием).

Рис. 4. Осциллограмма одной строки полного ТВ-сигнала

Особенностью системы является то, что цветоразностные сигналы передаются в частотном спектре яркостного сигнала на вспомогательных цветовых поднесущих методом частотной модуляции. Поскольку модулировать по частоте поднесущую одновременно двумя сигналами невозможно, то в системе SECAM сигналы передаются поочередно через строку. В течение времени одной строки передается только цветоразностный сигнала E n - Е^ другой - только Е я - Е f во время третьей строки вновь передается Er - Ег и т.д. Чтобы получить в телевизоре цветоразностный

сигнал Ea - Е,, необходимо иметь оба цветоразностных сигнала Е я - Ег и Ев - Ег одновременно. Для этого в телевизорах используется линия задержки со временем задержки (запоминанием) на одну строку (64 мкс). Таким образом, каждая передаваемая строка запоминается в линии задержки и к приходу следующей строки ее можно использовать как недостающий сигнал для формирования третьего цветоразностного сигнала. Отметим, что обе поднесущие частоты выбираются четными гармониками частоты строчной развертки. Для передачи сигнала Е я - Еуиспользуется частота f0e = 282Fc = 282 -15625 = 4,406 МГц и для передачи сигнала Ев - Егиспользуется частота f0B = 272 Fc = 272 • 15625 = 4,250 МГц.

Сигналы передачи данных и телеграфии

Первичные сигналы телеграфии и передачи данных получаются на выходе телеграфных аппаратов или аппаратуры передачи данных и представляют последовательность однополярных (рис. 5, а)

или двухполярных (рис. 5, б) прямоугольных импульсов постоянной амплитуды и длительности. При этом положительный импульс обычно соответствует передаваемому символу «1», а пропуск или

следовательности, вводится понятие тактовой частоты, под которой понимается отношение вида = 1/г0 и которая численно равна скорости передачи в бодах (В). Отметим, что значение тактовой частоты Рг и скорости передачи В совпадают только в случае передачи двоичных последовательностей. При переходе к многопозиционным кодам такого совпадения нет.

Рис. 5. Сигналы передачи данных и телеграфии

Вероятность появления «1» и «0» для однополярной последовательности импульсов (иногда называемой обобщенным телеграфным сигналом) и импульсов положительной или отрицательной полярности, а также статистические связи между импульсами определяются свойствами источника сообщения. Чаще эти вероятности равны 0,5, и импульсы последовательности принимаются статистически независимыми.

Определим основные физические параметры первичных сигналов телеграфии и передачи данных.

Такая характеристика, как динамический диапазон, для сигналов передачи данных и телеграфии, как и для всех двоичных сигналов, не применяется, так как по самому определению для такого класса сигналов не имеет смысла.

Информационная емкость сигналов передачи данных и телеграфии равна скорости передачи, т.е. 1ТЛГ= Рг-