ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ ВАСЮКОВ

ТЕОРИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
СВЯЗИ
ВАСЮКОВ
Василий Николаевич
доктор технических наук
профессор

Дисциплина «Теория электрической
связи» включена в Государственный
образовательный стандарт по
направлению 550400 –
«Телекоммуникации»
в раздел «Общепрофессиональные
дисциплины (федеральный
компонент)».
2
Васюков В.Н. Теория
электрической связи:
Учебник / Новосиб. гос. техн.
ун-т. – Новосибирск, Изд-во
НГТУ, серия «Учебники
НГТУ», 2005. – 392 с.
Шифр библ. В 201
3
Все должно быть изложено так просто,
как только возможно, но не проще.
Альберт Эйнштейн
4
Васюков В.Н., Новиков К.В.
Теория электрической связи:
Сборник задач и упражнений.
– Новосибирск: Изд-во НГТУ,
2006. – 44 с.
Шифр библ. В 333
5
Дополнительная литература





Теория электрической связи. Учебник для вузов / Под ред.
Д.Д. Кловского. – М.: Радио и связь, 1999. – 432 с.
Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В., Финк Л.М. Теория
передачи сиг-налов: Учебник для вузов. – М.: Радио и связь, 1986.
– 302 с.
Назаров М.В., Кувшинов Б.И., Попов О.В. Теория передачи
сигналов: Учебник для электротехнических институтов связи. – М.:
Связь, 1970. – 368 с.
Баскаков С.Н. Радиотехнические цепи и сигналы: Уч-к для вузов. –
М.: Высшая школа, 1999. – 536 с.
Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Уч-к для
вузов. – М.: Радио и связь, 1986. – 512 с.
6
http://ciu.nstu.ru/chair_sites/persons/
424/uchebne_material
Начиная свое поприще, не
теряй, о юноша! драгоценного
времени!
Козьма Прутков, Мысли и афоризмы, № 33
7
8
Шведская телекоммуникационная компания Eriсsson 50 лет тому
назад запустила первую в мире коммерческую полностью
автоматическую систему мобильной связи Mobile Telephony A (MTA). У
первой мобильной сети в 1956 г. было несколько сотен абонентов
9
Общие сведения о системах
электрической связи
Системы связи предназначены для передачи
информации.
Информация передается в виде сообщений.
Таким образом, сообщение – форма
представления информации.
Примеры сообщений: текст телеграммы,
фраза в телефонном разговоре,
последовательность цифр при передаче
данных, изображение в системе
фототелеграфии, последовательность
изображений (кадров) в системе телевидения
и т.п.
10
Сообщения
Сообщение представляет собой совокупность
знаков (символов).
Текст телеграммы состоит из букв, цифр,
пробелов и специальных знаков (А, б, 1,
7, ?, !, ...)
Телеграфное сообщение, готовое для
передачи по каналу связи состоит из
канальных символов (например, из «точек»,
«тире» и пауз при использовании «азбуки
Морзе», из символов 0 и 1 в коде Бодо и т.п.):
  
  
00111 00101 01001 01110 00111 00011 11001
11
Сообщения

В системе черно-белого телевидения
сообщение - последовательность
кадров, каждый кадр последовательность значений
яркости, упорядоченных согласно
схеме телевизионной развертки
12
Сообщения

В телефонии сообщение –
непрерывная последовательность
значений изменяющегося во времени
звукового давления на мембрану
микрофона:
13
Сообщения
 сообщения могут быть дискретными
(состоящими из символов,
принадлежащих конечному множеству
– алфавиту), например, телеграмма
«встречай 18-30»
 или непрерывными
(континуальными, аналоговыми),
описываемыми функциями
непрерывного времени, например,
a(t )
речевое сообщение
t
14

Для передачи сообщения необходим
материальный носитель, называемый
сигналом.
15
В радиотехнике и электрической связи
используются электрические сигналы,
которые наилучшим образом приспособлены для
передачи больших объемов данных на большие
расстояния.
16
Сигналы

Обычно сигнал описывается некоторой
функцией времени.
u (t )
u (t )
t

Аналоговый (континуальный)
u[ n ]
t
Квантованный
u[ n ]
n

Дискретный
n
Цифровой
17
Примеры аналоговых сигналов:
Гармоническое колебание
1
A cos(t   )
x( t)
1
0
t
10
1.148
Видеоимпульс (не меняет
знака или меняет несколько
раз)
y ( t)
 0.147
0
1
0
t
2
2
1.146
Радиоимпульс (меняет
v ( t)
0
1
0
t
2
знак многократно)
 1.144
2
18
Примеры сигналов:
Экспоненциальный
видеоимпульс
0.997
u( t )
3
2.47910
0
1
0
t
2
2
exp( t ) при t  0
u (t )  
 0 в противном случае
Колокольный
(колоколообразный)
видеоимпульс
1
hn
0.08
0
n
126
0.29
Колокольный
радиоимпульс
s( t )
 0.289
0
t
2
19
Примеры сигналов:
a(t )
Фрагмент речевого сигнала
t
2
2
1
Sn
0
100
200
1
2
2
M-последовательность
0
n
3
3
610
2
1.284
1
Svdn
255
4
810
50
100
110
150
200
1
 1.243
2
2
n
200
Фрагмент дискретного
сигнала
синхронизации
системы связи
20
Системы связи

Система связи - совокупность устройств,
выполняющих преобразования
сообщений и сигналов с целью передачи
сообщений от источника к получателю.
 К показателям эффективности
систем связи относятся
достоверность (верность),
скорость передачи информации,
помехоустойчивость, а также
некоторые другие величины.
21
Структура простой системы связи
a
ИС
u (t )
b(t )
Пр1
М
s (t )
z (t )
ЛС

a

b (t )
ДМ
Пр2
ПС
помехи
Сообщение a преобразуется преобразователем
Пр1 в сигнал b(t ) , называемый первичным
сигналом. Примеры Пр1: микрофон, передающая ТВ-камера, датчик
Первичный сигнал, как правило, непригоден для
непосредственной передачи, поэтому он поступает на
модулятор М, где используется для модуляции
другого колебания s (t ) , более подходящего для
передачи и называемого переносчиком или несущим
колебанием.
22
Структура простой системы связи
a
ИС
u (t )
b(t )
Пр1
М
s (t )
z (t )
ЛС

a

b (t )
ДМ
Пр2
ПС
помехи
Модуляция – изменение одного или нескольких
параметров переносчика в соответствии с изменением
первичного сигнала (или с передаваемым сообщением)
Часто переносчик – высокочастотное гармоническое
колебание, параметры – амплитуда, частота, начальная
фаза. Также применяется переносчик – периодическая
последовательность импульсов одинаковой формы.
Цель модуляции – согласование сигнала с линией связи
23
Переносчики
u (t )
t
переносчик – высокочастотное
гармоническое колебание,
параметры – амплитуда, частота,
начальная фаза.
переносчик –
периодическая
последовательность
импульсов
одинаковой формы,
параметры – высота (амплитуда),
длительность, период повторения
24
Структура простой системы связи
a
ИС
u (t )
b(t )
Пр1
М
s (t )
z (t )
ЛС

a

b (t )
ДМ
Пр2
ПС
помехи
Модулированный сигнал u (t ) передается по линии связи,
где подвергается искажениям и воздействию помех.
Искажения – это изменения сигнала, обусловленные
неидеальностью линии связи.
Помехи – это «посторонние» колебания, мешающие
передавать информацию.
Искаженный сигнал поступает на демодулятор ДМ.
Цель демодуляции – восстановление первичного сигнала
по наблюдаемому колебанию z (t )
25
Структура простой системы связи
b(t )
a
ИС
u (t )
Пр1
М
s (t )
z (t )
ЛС

a
b (t )
ДМ
Пр2
ПС
помехи
Точное восстановление первичного сигнала по наблюдаемому
колебанию невозможно, т.к. помеха всегда случайна.
Поэтому восстановленный сигнал b (t ) отличается от b(t ) .
Чем меньше отличие, тем выше достоверность.


Преобразователь Пр2 преобразует сигнал b (t ) в сообщение a ,
которое отличается от исходного сообщения a
Примеры Пр1: микрофон, передающая ТВ-камера, датчик
Примеры Пр2: телефон, громкоговоритель («динамик»), ЖК-панель
телевизора, цифровой индикатор («табло»)
26
Структура системы связи с кодированием
a
ИС
u (t )
bц (t )
К
М
z (t )
ЛС
a
bц (t )
ДМ
ДК
ПС
s (t )
Сообщение кодируется, т.е. его символы преобразуются
кодером К в символы другого (кодового) алфавита.
Обычно последовательность кодовых символов
представлена в форме цифрового сигнала bц (t ) ,
которым модулируется переносчик.
Обратное преобразование выполняет декодер ДК.
Кодер и декодер, объединенные конструктивно – кóдек
Модулятор и демодулятор, объединенные конструктивно -
модéм
27
Цели кодирования
 повышение скорости передачи информации
(энтропийное, статистическое кодирование, сжатие)
 повышение достоверности (помехоустойчивое,
канальное кодирование)
 в некоторых случаях – согласование формы
сообщения со свойствами канала связи (например, код
Морзе при манипулировании ключом)
28
Характеристики кодов
Обычно один символ исходного сообщения
заменяется совокупностью кодовых символов –
кодовым словом (кодовой комбинацией)
Если все кодовые слова имеют одинаковую длину –
код равномерный (например, код Бодо),
00010 00011 00100 00101 00110 . . . .
если нет – неравномерный (например, код
Хаффмена)
01 00 10 110 1110 11110 111110 . . . . . .
Ж.М.Э.
Бодо (1845 — 1903) – известный
французский инженер (J.M.E. Baudot)
29
Структура системы связи с кодированием
и шифрованием
ξ(t)
К
ПР1
ЛС
М
ДМ
ПР2
ДК
S(t)
Ш
ИС
ИС – источник сообщения
ПР1,ПР2 – преобразователи сообщение/сигнал и сигнал/сообщение
М – модулятор
ДМ – демодулятор
ЛС – линия связи
ПС – получатель сообщения
S(t) – переносчик (несущее колебание)
ξ(t) – помеха
К – кодер
ДК – декодер
Ш – шифратор
ДШ - дешифратор
ДШ
ПС
30
Шифрование
Цель шифрования – предотвращение
несанкционированного извлечения или
преднамеренного изменения информации
противником.
При зашифровании производится замена открытого
сообщения шифрограммой (шифртекстом), а при
расшифровании – обратное преобразование.
Зашифрование выполняется до преобразования
сообщения в первичный сигнал или в кодовую
последовательность.
Отличие от кодирования: коды известны всем, а
шифры (точнее, ключи к ним) хранятся в тайне
31
Модуляция гармонического переносчика
u (t )
u (t )
t
b(t )
t
Несущее гармоническое
колебание
Амплитудно-модулированное
колебание
u (t )
u (t )
t
t
Частотно-модулированное
колебание
Фазомодулированное
колебание
32
Дискретная (цифровая) модуляция
гармонического переносчика (манипуляция)
u (t )
u (t )
t
t
Амплитудная манипуляция
Частотная манипуляция
u (t )
0.29
t
s( t )
 0.289
Фазовая манипуляция
0
t
Здесь посылка прямоугольная; на практике чаще применяются
колокольные импульсы
2
33
Техническая скорость


Колебание при дискретной модуляции
характеризуют технической скоростью
(скоростью модуляции, скоростью
телеграфирования), равной количеству
элементарных посылок в секунду. Единицей
измерения скорости модуляции является Бод
(1 Бод соответствует одной посылке в
секунду).
Бод назван в честь Ж.М.Э. Бодо
(J.M.E. Baudot)
34
Модуляция импульсной последовательности
Переносчик – периодическая последовательность
импульсов одинаковой формы.
Периодическая последовательность импульсов
одинаковой формы имеет три параметра:
• пиковое значение («амплитуду») импульса,
• длительность импульса,
• частоту следования импульсов
35
Модуляция импульсной последовательности
При аналоговом первичном сигнале различают:
– амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ),
– широтно-импульсную модуляцию (ШИМ, или
ДИМ), при которой изменяется «ширина»
(длительность) импульсов,
– времяимпульсную модуляцию (ВИМ), при
которой изменяется время задержки импульсов
относительно среднего положения, и
– частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ), когда в
такт с первичным сигналом изменяется частота
следования импульсов.
36
Важнейшие характеристики систем связи
Достоверность дискретных систем связи
определяется вероятностью безошибочного приема
сообщения или отдельной посылки (больше – лучше).
Достоверность систем передачи непрерывных
сообщений часто характеризуется средним
квадратом ошибки (меньше – лучше).
T
2
1
2
 
b(t )  b (t )

T
dt
0
Помехоустойчивость системы связи
характеризуют отношением средних мощностей
сигнала и помехи, при котором обеспечивается
заданная достоверность (меньше – лучше).
37
Обработка сигналов
Демодуляция – восстановление первичного сигнала по
принятому искаженному колебанию, а декодирование –
восстановление дискретного сообщения по
демодулированному сигналу.
Часто перед демодуляцией применяют дополнительное
преобразование с целью повышения достоверности
(уменьшения вероятности ошибки). Такое преобразование
называют обработкой.
Оптимальной называется обработка,
наивысшую достоверность решения.
обеспечивающая
Квазиоптимальная (субоптимальная) обработка – проще и
дешевле, при этом она обеспечивает достоверность,
близкую к предельной.
Часто квазиоптимальная обработка представляет собой
фильтрацию принятого колебания с целью подавления помех.
38
КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ ПО ТИПУ НЕЗАВИСИМОЙ
ПЕРЕМЕННОЙ
аналоговые(континуальные)
(время непрерывно)
дискретные
(время дискретно)
x(t)
x[n]
t
n
импульс
(аналоговый сигнал, определённый
на непрерывной временной оси)
видеоимпульсы
(не меняют знака или
меняют его несколько раз)
радиоимпульсы
(меняют знак многократно)
x(t)
x(t)
t
t
39
КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ ПО РАЗМЕРНОСТИ
ЗАВИСИМОЙ ПЕРЕМЕННОЙ
скалярные
(принимают числовые значения –
вещественные или комплексные)
векторные
(принимают векторные
значения,
например, ЭМП в точке)
КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ ПО РАЗМЕРНОСТИ
НЕЗАВИСИМОЙ ПЕРЕМЕННОЙ
одномерные
(зависят от одного аргумента
например, речевой сигнал)
многомерные
(зависят от многих аргументов
например, ТВ-кадр)
Сигнал цветного ТВ – векторный (размерности 3); можно
рассматривать его как одномерный (при передаче по каналу) или как
двумерный (при обработке и анализе кадра) или как трехмерный (как
последовательность кадров)
40
КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ ПО ХАРАКТЕРУ
ПРОЯВЛЕНИЯ (ОПИСАНИЯ)
детерминированные
случайные
квазидетерминированные
КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ ПО ОТНОШЕНИЮ
К ПЕРЕДАЧЕ СООБЩЕНИЙ
полезные
(служат для передачи
сообщений)
мешающие (помехи)
(являются причиной потери
информации)
41
ПОМЕХИ
Естественные
(например, от молний)
Шумовые
Преднамеренные
(искусственные)
напр., тепловые шумы
Импульсные
напр., от св. апп.
Активные
Пассивные
(флюктуационные),
42
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОМЕХ ПО СПОСОБУ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С СИГНАЛОМ
аддитивные (от английского add –
складывать),
мультипликативные (от английского multiply
– умножать) и
смешанные (сюда относятся все
взаимодействия, не сводимые к аддитивному
или мультипликативному).
Все помехи, как и все сигналы, являются случайными!
(если помеха детерминированная, то её можно исключить из
наблюдаемого колебания, и таким образом избавиться от её
вредного воздействия на сообщение)
43
Сигнал, как «объект транспортировки»
«габаритные характеристики», подобно длине, ширине и высоте
перевозимого груза:
1. Длительность сигнала Tc , измеряемая в секундах (с).
2. Любой сигнал можно представить суммой (суперпозицией)
гармонических колебаний с определенными частотами, поэтому
вторая «габаритная характеристика» – ширина спектра, или
полоса частот сигнала Fс , равная разности наивысшей и
низшей частот его гармонических составляющих и измеряемая в
герцах (Гц).
3. Динамический диапазон, измеряемый в децибелах (дБ) и
определяемый формулой
 X max 
Dc  20lg 

X
 min 
где
X max и X min
– соответственно максимальное и минимальное
возможные значения сигнала (напряжения или тока)
Vс  Tс Fс Dс
 объем сигнала
44
Системы и каналы связи
Системы связи
ТГ (телеграфия)
ТФ (телефония)
ФТГ (фототелеграфия)
ТВ (телевидение)
ТМ (телеметрия)
ТУ (телеуправление)
ПД (передача данных)
ЗиВ (запись и воспроизведение)
45
Каналы связи
Совокупность устройств и линий связи, которые сигнал
проходит последовательно между любыми двумя
точками системы связи, называется каналом связи.
Таким образом, каналы связи могут соединяться
последовательно друг с другом, один канал может
входить составной частью в другой канал и т.п.
a
ИС
c
b
К
М
e
d
ЛС
ДМ
f
ДК
ПС
46
Канал, как «транспортное средство»
характеризуется параметрами, аналогичными параметрам
сигнала:
– время действия канала Tк , измеряемое в секундах;
– полоса пропускания канала Fк , измеряемая в герцах;
– динамический диапазон канала в децибелах,
определяемый максимальным и минимальным
значениями сигнала, которые могут передаваться по
данному каналу:
X

Vк  Tк Fк Dк
Vc  Vк
Dк  20lg  max 
 X min 
 объём (ёмкость) канала
 необходимое условие передачи информации
без потерь
47
Vc  Vк
 необходимое условие передачи
информации без потерь

возможен «обмен» одних параметров сигнала на другие!
длительность на полосу (ускоренная или замедленная передача)
динамический диапазон на время или полосу (кодирование, ИКМ)
48
Каналы связи
По виду используемой
среды
По назначению
(ТГ,ТФ,ФТГ,ТВ,ТМ,ТУ,ПД,ЗиВ)
Проводные
Радиоканалы
Воздушные
Спутниковые
Кабельные
Тропосферные
Волноводные
Ионосферные
Световодные
Метеорные
Акустические
49
Каналы
По характеру связи
входа и выхода
Стационарные
Нестационарные
Линейные
Нелинейные Случайные
Каналы
Детерминированные
По количеству независимых переменных
Пространственно-временные
Временные
Каналы
По характеру входа и выхода сигнала
Непрерывный
(аналоговый)
Дискретный
Непрерывнодискретный
Дискретнонепрерывный
50
Диапазон частот
Диапазон волн
Название частот
Название волн
30…300 Гц
1000…10000 км
Сверхнизкие (СНЧ)
300…3000 Гц
100…1000 км
Инфранизкие (ИНЧ)
3…30 кГц
10…100 км
Очень низкие (ОНЧ)
Мириаметровые
30…300 кГц
1…10 км
Низкие (НЧ)
Километровые
300…3000 кГц
100…1000 м
Средние (СЧ)
Гектометровые
3…30 МГц
10…100 м
Высокие (ВЧ)
Декаметровые
30…300 МГц
1…10 м
Очень высокие (ОВЧ)
Метровые
300…3000 МГц
10…100 см
Ультравысокие (УВЧ)
Дециметровые
3…30 ГГц
1…10 см
Сверхвысокие (СВЧ)
Сантиметровые
30…300 ГГц
1…10 мм
Крайне высокие (КВЧ)
Миллиметровые
300…3000 ГГц
0,1…1 мм
Гипервысокие (ГВЧ)
Децимиллиметровые
51
Использование радиоволн
52
Распространение радиоволн (ДВ и КВ)
53
Особенности ионосферы днем и ночью (КВ)
54
Распространение КВ и УКВ
55
Остронаправленные антенны (УКВ)
56
Необходимость математических моделей
Общий подход к разработке и проектированию
современных технических систем, в том числе
систем связи, заключается в получении
оптимальных или хотя бы субоптимальных
технических решений. Такие решения, как
правило, не могут быть получены эмпирическим
(опытным) путем – методом «проб и ошибок».
Для этого необходимо располагать
соответствующими теоретическими, т.е.
математическими методами.
57
Нужна математическая теория, описывающая с
единых позиций все многообразие электрических
сигналов, применяемых в проводной и
радиосвязи, радио- и телевизионном вещании,
радиолокации и радионавигации, автоматике и
телемеханике, глобальных и локальных
компьютерных сетях и во многих других областях
техники, поэтому следующая БОЛЬШАЯ тема –
58
ТЕОРИЯ
СИГНАЛОВ