Text
                    БАКАЛАВР • МАГИСТР
В. И. Нефедов, А. С. Сигов
ОБЩАЯ ТЕОРИЯ
СВЯЗИ
Под редакцией В. И. Нефедова
УЧЕБНИК
МО рекомендует
biblio-online.ru

МОСКОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ В. И. Нефедов. А. С. Сигов ОБЩАЯ ТЕОРИЯ СВЯЗИ УЧЕБНИК ДЛЯ БАКАЛАВРИАТА И МАГИСТРАТУРЫ Под редакцией профессора В. И. Нефедова Рекомендовано Учебно-методическим отделом высшего образования в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по инженерно-техническим направлениям и специальностям Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебника для магистрантов и бакалавров высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 11.03.02 (210700) — Инфокоммуникационные технологии и системы связи Книга доступна в электронной библиотечной системе biblio-online.ru Москва Юрайт 2019
УДК «21 37(075.8) ББК 32.842я73 1158 Авторы: Нефедов Виктор Иванович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой in................ ых нстемИ......... и т?хпичесшх И телекомму- никационных систем Московского технологического университета (МИРЗА), лау- реат премии Правительства РФ, ЭМ и ЫЙ рвбоТМИК высшей школы РоссиЙ Федерации; Сигов Александр Сергеевич — доктор физико-математических наук, и|хи|ич top, .11 If," I 'Ml '-пило Hill ' I I .)«•. .1 .. >11 J ... II .. .1 I,' II.It'll Ip' I. ..I t <- НИЧ I !•« I . I тута электроники Московского техно,логическою университета (МИРЭЛ). .гауреат Государственной премии и премий Праните.ш’тва РФ Рецензенты: Бу,лев А С. — доктор физико-математических наук, профессор, академик РАН. laMccnaie.iii директора Ипспггута радиотехники и .клектроникм им. II Л Котельни- кова РАН, заведующим кафедрой вакуумной электроники Московского физико-тсх- иичсскою института (государственного университета); Шещхин О. И - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой информационном безопасности и автомати.<ацнм Московского технического универ- ситета связи и информатики, заслуженный деятель пауки РФ. почетный работник высшего профессионального образования РФ. Нефедов, В. И. Н58 Общая теория связи : учебник для бакалавриата и магистратуры В И. Нефедов, Л С. Сигов ; пол род. В И Нефедова. М Издательство Юрайт. 2019. 495 с Серия Бакалавр и магистр. Академический курс. ISBN 978-5-534-01326-9 Рассматриваются параметры н характеристики сообщений. ciieKipu-ibiioe пред славление сигналов и помех, и । ................. м< годы формирования, моду- ляции. демодуляции и преобразования сигналов, вопросы теории передачи сообще- ний. Широко представлены алгоритмы циф|мш>>й обработки сигналов. в том числе основы теории цифровой фильтрации сигналов. Апгарам удалось собрать и компактно объединить пол одной обложкой огромное количество информации. Здесь крагко рассмотрены практически все аспекты теории и практики сов|м-менной радиосвязи от распространения электромагнитных волн до радиотехнического оборудования. В систематизированном Blue рассматриваются основ- ные виды цифровой модуляции радиосигналов и методы их демодуляции. полу-ишшие широкое раелрострипенне в беспроводных системах связи сотовых, персональных, спут- ник) >ных В учебнике содержатся материалы об основных аспектах электросвязи и прин- ципах MiionxT'.umiKNiiion* доступа. Рассмотрены основные модели каналов электро- связи, принципы многоканальной связи и вопросы оценки эффективности систем связи. Приведены общие сведения но пропускной способности каналов сшпн, методах поме- хоустойчивого кодирования. оптимального приема егюбщеннй. Большое внимание уде- ляется физическим процессам. происходящим в системах <|к1рми|юк<ния и обработки широкополосных сигналов (ШПС) при действии помех Изложение теоретического материала сопровождается практическими расчетами и примерами iKjcrpocHiui отдель- ных умов. Учебник иллюстрирован большим числом рисунков н схем Соответствует актуальным требованиям Федерального государственного образо- BaTt-jiMioro сгандарга высшего «браэошшия. Для студентов высших учгочых заведений, обучающихся по направи'нию *Инфо- каичуникпциопныв mrniaio/1/и и системы сняло» (бшкаитриат) УДК 621 37(075 8) ББК 32.842я73 ISBN 978 5 534 01326 9 © Нефедов В. И.. Сигов А. С, 2015 ©ООО «Издательство Юрайт», 2019
Оглавление [[релис.пшне..............................................................,8 [{ведение...................................................................Л 1 Раздел I ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ, СЕТИ И СИСТЕМЫ СВЯЗИ Глава 1. Общие сведения о сетях и системах связи ........................................15 1.1. Информация, сообщения и сигналы в системах связи..................15 1.2. Способы построения систем и сетей связи. Эффективность систем связи... 30 1.2.1. Понятие системы связи.......................................30 1.2.2, Общие понятия с государственных сетях и системах связи......33 1.2.3. Эталонная модель взаимодействия открытых систем.............36 1.2Л . Системы связи..............................................39 1.2.5. Основные характеристики и параметры систем связи............53 I .2.6. .1E1IIJ1EI Связи...........................................56 1.2.7. Системы радиовещания...................................... 59 1,2.8, Тедевиэиоппые (телевещательные) системы.....................59 1.2.9. Мультимедийные системы......................................70 1.3. Современные системы подвижной связи...............................71 1.3.1. Системы сотовой подвижной (мобильной) связи.................73 1.3.2, Сотовые системы подвижной связи стандарта GSM...............78 1.3.3. Подвижная связь в городах...................................85 1.3.4. Системы подвижной спутниковой связи.........................90 1.3.5. Системы беспроводных телефонов..............................92 1.3.6. Системы воздушной подвижной связи...........................95 1.3.7. Глобальная информ аз [ионно-компьютерная сеть Интернет.......95 1.3.8. Технология LTE..............................................96 1,3.9, Беспроводные сети четвертого поколения......................98 1.3.10. Тек пологи и NGN..........................................102 1.3.11. Интернет-телефония........................................104 1.3.12. Волоконно-Оптические линии (системы) связи................106 1.4. Антенные устройства систем радиосвязи........................ 108 1.5. Глобальные системы связи будущего................................112 Контрольные вопросы и задания.........................................117 Глава 2. Детерм ни ирона] тыс сигналы.....................................118 2.1. Общие сведения о сигналах........................................118 2.1.1. Математические модели сигналов.............................119 2.1.2. Классификация сигналов.....................................119 2,1.3, Шумы и помехи в системах связи.............................124 2.1.4. С ।юсобы a i ia.iитичсс кого о и исшi ия с и пгалон ........127 2.1.5. Энергетические характеристики сигналов.....................131 3
2.2. Спектральное представление детерминированных сигналов...........132 2,2,1. Спектральное представление периодических сигналов рядами Фурье.............................................................132 2,2.2, Спектральное представление непериодических сигналов с помощью преобразований Фурье...................................145 2,2.3, Спектры некоторых неинтегрируемых сигналов................153 2,2.4. Преобразования Хартли в спектральном анализе сигналов......158 2.3, Корреляционный анализ детерминированных сигналов................159 2,4. Методы аналоговой модуляции сигналов............................163 2.4.]. Сигналы с аналоговой модуляцией............................164 2.4.2. Сигналы с угловой модуляцией...............................177 2.4.3. Сигналы с линейной частотной модуляцией,...................185 2,5. Сигналы с импульсной и цифровой модуляцией......................189 2.5.1. Импульсная модуляция..................................... 189 2.5.2. Квадратурная модуляция................................... 196 2.5.3. Цифровая модуляция....................................... 199 2.5.4. Представление модулированных сигналов амплитудно-фазовыми диэ!‘рам мам и....................................................210 2.6. Узкополосные сигналы............................................213 2.6.1. Аналитическое представление узкополосных сигналов...........213 2.6.2. Физическая огибающая, полная фаза и мгновенная частота узкополосного сигнала........................................... 216 2.6,3. Аналитический сигнал и преобразования Гильберта............218 Лонтрадьиый вопросы и эодопия..............................,.........226 Глава 3. Случайные и шумоиодобные сигналы в теории связи................228 3.1. Общие сведения о случайных сигналах.............................228 3,1.1. Вероятностное представление случайных величин и процессов...230 3.1.2. Числовые характеристики (момен ты) случайных процессов......233 3.2. Законы распределения случайных процессов........................236 3.2.1. Нормальный закон распределения.............................236 3.2.2. Равномерный закон распределения плотности вероятности.......238 3.2.3. Закон распределения Пуассона...............................239 3.3. Характеристическая функция случайного процесса.................24 I 3.4. Стационарные случайные процессы.................................244 3.5, Спектральный и корреляционный анализ случайных процессов........248 3.5.1. Теорема Винера — Хинчина...................................250 3.5.2. Односторонний спектр мощное л i............................251 3.5.3. Сравнение детерминированных и случайных сигналов...........252 3.5.4. Белый шум..................................................253 3.6. Узкополосные случайные процессы.................................255 3.7. Шумоподобные сигналы............................................264 Контрольные вопросы и задания.......................................................................................271 Раздел II ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И УСТРОЙСТВА Глина 4. Линейные и параметрические цепи .*.............................275 4.1, Методы анализа линейных цепей...................................275 4.1.1. Представление сигналов динамическими моделями..............278 4.1.2, Методы анализа процессов в линейных цепях (системах)........278 4.1.3. Условие физической реализуемости линейной цепи.............287 л
d. 1.4, Многомерные сигналы................................288 4.2. Дифференцирование и интегрирование сигналов..............288 4,2.1. Дифференцирующие цепи...............................288 4,2.2, If нтегри ру юг цис цепи.............................2 90 4.3. Резонансные цепи.........................................292 4.3- 1. Последовательный колебательный контур..............292 4,3. 2, Параллельный колебательный контур.,,...............294 4.4. Основы теории усилительной техники..................... 296 4.4.1. Классификация и параметры усилителей................297 4.4.2. Усилите,’!и на биполярных транзисторах..............298 4.4.3. Усилители на полевых транзисторах...................302 4.5. Элементы теории обратной связи......................... 303 4.5.1. Общие сведения об обратной связи.....................303 4.5.2. Устойчивость линейных систем (усилителей) с обратной связью...307 4.6. Интегральные усилители в технике связи................. 312 4.7. Электрические фильтры....................................315 4.7.1. Общие сведения об электрических фильтрах............315 4.7.2. Фильтры на поверхностных акустических волнах........321 4,7.3, Синтез электрических фильтров..................... 323 4,7.4, Активные фильтры....................................325 4.8. Преобразования сигналов в параметрических цепях..........328 4,8.1. Особен пости линейно-параметрических целей..........328 4.8,2. Преобразование сигналив в цепи с параметрическим сопротивлением.............................................329 Контролыте вопросы а задания..................................333 Глава 5. Нелинейные цепи.........................................335 5.1. Аппроксимация характеристик нелинейных элементов.........335 5.1.1. Метод аналитической аппроксимации...................336 5.1.2. Численные (компьютерные) методы решения системы нелинейных уравнений.......................................336 5.1.3. Аппроксимация степенным полиномом...................338 5.1.4. Кусочно-линейная аппроксимация......................340 5.2. Отклик нелинейной цепи на гармонический входной сигнал...341 5.2.1. Спектр тока в цени с нелинейным элементом при Степенной аппроксимации..............................................342 5.2.2. Спектр тока в цепи с нелинейным элементом при кусочно-линейной аппроксимации.........................342 5.3. Спектральные методы анализа нелинейных динамических систем с групповыми сигналами.........................................344 5-3-1. Интермодуляционные искажения........................344 5.3.2. Метод гармонического баланса........................346 5.3.3. Метод многомерных функциональных рядов Вольтерра....347 5.4. Нелинейные усилители мощности............................349 5.5. Модуляция сигналов.......................................350 5.5.1. Аналоговые амплитудные модуляторы...................350 5.5.2. Угловая модуляция...................................352 5.6. Демодуляторы сигналоп....................................355 5,6-1, Амплитудные детекторы...............................355 5.6.2. Детектирование сигналов с угловой модуляцией........359 5.6.3. 11мпульсные и цифровые демодуляторы.................363 Кон тромн ые вопросы и задания................................366 5
Раздел 111 ЦИФРОВОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ. ПЕРЕДАЧА, ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫЙ ПРИЕМ И ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ Глава 6. Дискретные и цифровые сигналы и их обработка .................... 371 6.1. Цифровое представление сигналов.....................................372 6.1.1. Теорема Котельникова (теорема отсчетов).................... 374 6.1,2. Восстановление непрерывного сигнала по дискретным значениям ...379 6.2. Дискретные сигналы и их спектры................................. 382 6.3. Алгоритмы дискретного и быстрого преобразований Фурье..-............386 6.3.1. Дискретное преобразование Фурье................................386 6,3.2, Обратное дискретное преобразование Фурье...,............„..„„.388 6.3.3. Быстрое преобразование Фурье................................. 389 6.4, Дискретная свертка сигналов и теория г-иреобразовання...............392 6.4. ]. Дискретная свертка......................................... 392 6.4.2. Представление дискретных сигналов с помощью z-n реобразования................................................... 395 6.5. Основы теории цифровой фильтрации........................... 397 6.5.1, Цифровая фильтрация сигналов................................. 397 6.5.2. Цифровые фильтры....................................... 399 6.5.3. Структурные схемы линейных цифровых фильтров...................401 6.5.4. Устойчивость цифровых фильтров........................... 405 6.5,5. Канонические схемы рекурсивных фильтров........-...............407 6.5.6. Транспонированная форма цифровых фильтров.................409 6.5.7. Частотные характеристики цифровых фильтров................4 11 6.6. Синтез цифровых фильтров.......................................415 6.7, Квантование сигналов ...............................„.„..„,,„,..„,..420 Конт.............рольные вопросы и задания.................................................. 422 Глава 7, Устройства передачи и помехоустойчивого приема сообщений .......424 7.1. Радиопередающие устройства.....................................424 7.1.1. Общие сведения о радиопередающих устройствах..............424 7.1.2. Передатчик с амплитудной модуляцией...................... 429 7.1,3. Передатчик с частотной модуляцией............................ 429 7.1.4. Синтезаторы частоты......................................... 430 7.1.5. Тенденции развития радиопередающих устройств...................431 7.2. Радиоприемные устройства............................................433 7,2.1. Общие сведения о радиоприемных устройствах ,„...„,„„.„,,,„..„,,,„-.„,.,433 7.2.2. Приемник прямого усиления.................................... 437 7.2.3, Супергетеродинный приемник................................... 438 7.2.4. Автоматические устройства управления и регулировки приемника.............................................................441 7.2.5. Тенденции развития радиоприемных устройств................... 445 7.3. Оптимальная линейная фильтрация сигналов........................446 7,3,1, Оптимальный (согласованный) линейный фильтр....................446 7.3.2. Реализация согласованных фильтров............................ 451 7.3.3. Скрытая передача сигналов при оптимальной фильтрации......456 7.4. Элементы теории помехоустойчивого приема............................456 7.4.1. Информационные параметры системы связи.........................458 7.4.2. Оценка количества информации, содержащейся в сообщении....459 7.4.3. Оценка пропускной способности канала связи с шумами............466 7.5. Кодирование сообщений в системах связи..............................468 7,5.1. Системы счислений,,,,,,,..,.............. ,...„.„„.„,„„..„...469 6
7.5.2. Коды.......................................................................469 7.5.3. Классификация основных методов кодирования и кодов.........................471 7.5.4. Параметры помехоустойчивых кодов...........................................476 7.5..V Линейный и нелинейный колы.................................................479 7.5.6. Классы помехоустойчивых кодов..............................................480 7.6. Модемные устройства систем связи..................................................486 Контрольные вопросы и задания.......................................................................................492 Заключение..................................................................................494 Список литературы....................................................................... 495
Предисловие Новейший зтаи научно-технического прогресса в мире связан с револю- ционными изменениями в 1i(ip(,;ia4e, приеме и обработке информации, что оказывает существенное влияние на все стороны жизни общества, Все это стало возможным благодаря успехам в развитии цифровых инфокоммунн- кационпых технологий. Курс «Общая теория связи* является основной дисциплиной из плана подготовки бакалавров в области исследования и разработки телекоммуни- каций. Основной целью курса является обучение студентов теории, мето- дам и основам построения устройств модуляции, кодирования, передачи, помехоустойчивого приема и обработки сигещлон, развитие навыков сис- темного подхода к разработке и проектированию радиоаппаратуры в ис- пользуемых диапазонах волн. Дисциплина отличается разнообразием со- держания, обилием понятий и методов, причем большую роль играют математические приемы анализа. Прочное овладение ими совершенно обя- зательно, поскольку они служат логическим фундаментом построен ли по- следующих «связных* курсов. Безусловно, авторы учитывали, что учебник должен быть ориентировав ill Федеральный rocy.i.jL]л гезсн ныii образовательный Стандарт МиннспрсЕ - ва образпваЕгня и науки РФ но паи pa юн1 ни ео подготовки «Инфокоммунн- кационные технологии н системы связи* (бакалавриат) В результате осво- ения этой дисциплины студент должен • физические свойства сообщений, сигналов, помех и каналов связи, их основные виды и информационные характеристики; • пришиты и основные закономерности обработки, передачи и приема разд и ч 11 ы х г н ['и; ин »t и ге’л е 'ком му н и КйциОнных Си Сте! м а х; методы оптимизации сигналов и устройств их обработки; * методы кодирования и шифрования дискретных сообщений; * методы много канальной передачи и распред слепня информации; уметь * получать математические модели сигналов, каналов связи и опреде- лять их параметры по статическим характеристикам; * проводить математический анализ и синтез физических процессов г: ;ih;i ioioejiiIX и цнфроЕПАХ устройствах формирования, преобразования и обработки сигналов; рассчитывать пропускную способность, информационную эффектив- ность и помехоустойчивость телекоммуникационных систем; владеть • методами компьютерного моделирования сигналов и их преобразова- ний при передаче информации по каналам связи; в
* Навыками решения задач оптимизации t:nrii;ui[»u и Систем; • навыками экспериментального исследования методов кодирования и декодирования сообщений, методов оценки помехоустойчивости модемов. Учебник написан в предположении, что студента, приступая к изуче- нию курса, имеют хорошую теоретическую и практическую подготовку г го курсам «Высшая математикам, «Физика*, «Вычислительная техника и ин- формационные технологии* и др. Курс «Общая теория связи* является в свою очередь базовым для специальных дисциплин, изучаемых позже. Ра- ботая над текстом, авторы стремились как можно теснее сблизить излагае- мый материал с практикой обучения в вузе. Эго определило принцип отбо- ра материала и степень детальности освещения: на страницы вынесено .'iiiiiiii то, что может быть полностью ус ног и о Гнонянннсгиом студентов за отведенное время. Отметим, что изложенный теоретический аппарат ряда положений теории связи несколько упрощен: это касается рядов Вольтер- ра, нелинейных уравнений Урьюона, полей Галуа и г.л. Авторы старались учитывать фундаментальные работы, публикации и материалы, имеющие оригинальный характер или содержащие подробное изложение некоего круга вопросов (что по-английски называют expository papers'). Среди наиболее значимых трудов отметим учебники Б. Скляра, Дж. Прокинса, Р.. [анонса, К. Феера, Д., I. Кловского, С. И. Баскакова и др. Из последних работ отметим книгу А. Б. Сергиенко, t >тл и чающуюся ориги- нальностью изложения. Терминология, ус.юегныг буквенные обол шчения и ilaiiMeiioieiiiiBi ри- сунков в книге н основном соответствуют современным стандартам. Одна- ко есть и устоявшиеся в учебной литературе обозначения, отличные л ре- комендованных. что связано с удобством их восприятия. Это касается н международной терминологии, Н<пгкл и техника интернациональны, и бурное развитие информационных технологий сделало это еще более оче- видным. Поэтому тем, кто занимается связью, приходится иметь дело с за- рубежными, прежде всего англоязычными, источниками. Вее это требует знания термигньтпгин, ЦОГОрНЯ НС нее гущ СООТНСТСТНуСТ ггрн ПЯТОЙ Г! нашей литературе. На русский язык эти термины часто не переводят, а в текстах используют кальку с английского. Чтобы облегчить студентам работу с ан- глоязычной литературой, При ННСДС1НИИ новых понятий н кише? приводятся соответствующие английские термины, С нескрываемым удовольствием отмечаем профессоров Александра Сте- пановича Бугаева и Олега Ивановича Щелухина, взявших на себя нелегкий труд но рецензированию учебника. Авторы выражают особую признательность ректору Московского госу- дарственного университета информационных технологий, радиотехники и электроники, доктору технических паук, профессору Станиславу Алексе- евичу Куджу за постоянное внимание и всестороннюю деликатную под- держку при подготовке рукописи и издании учебника. Отметим, что изложенный материал базируется на лекциях, читаемых авторами студентам и МИРЭА, и вместе с тем н кипи: введено много ново- го, При этом авторы приложили определенные усилия к тому, чтобы устра- нить замеченные погрешности. Если внимательные читатели обнаружат неточности п книге, то мы полностью берем на себя ответственность за их 9
наличие. Мы просим 11]:>«j।цс?ni:я у авторов, с материалами учебни- ков, М[|ПОГ]ыфиЙ II {.'ПГГСН КОТОрЫХ, ВОЗМОЖНО, <!ОН1Ц1ДИКГГ фрагменты неко- торых Пр!1М?]ЮН, ||ЛГО]1]1 I МОП I! pilCX'IIKOIi. С глубокой o.iaro/iiipHorriiHi примем любые полезные замечания, ком- ментарии, 11 рс..г.к 1жсн ия и пожелания, которые просим присылать ни адре- су: 111123, Мрскна, у-i. Плеханова, д, 4а, издательство sIOpaH-i s-,
Введение Теория связи - it настоящее время наиболее динамично развивающаяся отрасль науки Причем новейшие системы связи — модемные технологии, реализованные под конкретные пропускную способность и скорость пере- дачи информации. 0 научном аспекте теория связи занимается проблемами, связанными с передачей и приемом информации. В техническом аспекте теория связи связана с разработкой разнообраз- ных систем, предназначенных для передачи н приема информации с помо- щью электромагнитных и оптических колебаний, В математическом аспекте теория связи нспо i ьзует линейные и нели- нейные ннтегро-дифференциальные уравнения, математический анализ, матричную алгебру, дискретную математику, численные методы, теорию функций комплексного переменного, теорию случайных процессов и пр. В конструкМОрСКО-теХнОлО^ичвСкОм аспекте теория связи опирается на автоматизированное проектирование. Большинство Современных конст- рукций полностью состоят из гибридных и интегральных микросхем, а те- перь и продуктов нанотехнологий. При разработке большинства связных устройств и систем приходится решать ряд задач, которые формально реализуются следующей логической цепочкой: объект — математическая модель — расчет — анализ — оптимиза- ция синтез. Для исследования электрической цени или системы создаютматемати- ческую людель, в которой отображены плибаич' сунцчтнепные citoiirriia. Фор- ма аналитической записи модели может быть отражена формулами, интегро- днфферепцнальными уравнениями, матрицей, графиками или таблицами. Можно использовать передаточные функции, переходные, импульсные, ча- стотные, спектральные, корреляционные и прочие характеристики. Б одних случаях модель формируют mi основе аналитического анализа физической модели объекта, в других — путем проведения экспериментов. Модель можно получит I. и по результатам экспериментально-аналитических исследований. Расчет проводится на компьютере и включает в себя три процедуры: раз- работку алгоритма, составление программы и собственно численный счет. Л «ализ заключается в решении вопросов исследования переходного про- цесса и установившегося режима работы пени, определения отклика уст- ройства на изменение его внутренних параметров или внешнего воздейст- вия, исследования условий устойчивости или прохождения сложных сигналов н । ,д. Оптимизация состоит в нахождении такой комбинации значений внутрен- них параметров или характерно гик объекта, при которой один пли несколь- ко его внешних параметров пли характеристик имеют наилучшее значение. 11
Синтез Заключается н Определении Структуры разрдба пинаемого объек- та и значений параметров его элементов, при которых согласно ныГфннно- му критерии» она или.чу ЧП1 наг образом от нечаст необходим ы м требования м, С теорией и техникой связи связан ряд паучЕЕО-техничсгких направле- ний, и прежде всего радиотехника, Риунутехника является фундаментом телекоммуникаций, По мере РАЗ- ВИТИЯ радиотехники ИЗ нее выделился ряд новых областей eejvkh и техни- ки: кн;и ri fnt;»я :rn‘iii]MHHK;i, т нердОтел ЬНЙЯ Электроника и микроэлектрони- ка, КЫЧНСЛНтельная техника, оптоэлектроника, инфракрасная техника, криогенная o.K'KipoiiiiKa, акугто- п магнитозлекгроница, голография, бно- голо1~рафня и многое другое. Ради о возегпк.'ю на основе фунламепталЕ1Ных открытий в области физи- ки и :»лектр[»гс‘хп и км, СделанЕГЫХ н ХТХ в. У истоков радиотехники лежит откры тие электромагнитного ноли, связанное с именами грех выдающихся ученых: Майкла Фарадея, уггаповив][|нго явление Электромагнитной ин- дукции (1831); Джеймса Максвелла, создавшего теорию электромагнитно- го ноля (1865); Генриха Герца, экспериментально пол уч и hi него вызывае- мые Колебательным разрядом Элект]Н1магпи г»elec волны (1888), М. Фарадей н 1821 г. обнаружил вращение магнита вокруг проводника с током и ецхпцсниг проводника г током вокруг магнита. Era основании чего через 10 лет открыл янлеггие ;злек71"] Юму гн нт» »ой индукции. В 1873 г. Д. МаКС- ВС-ЛЛ Опубликовал «sTjk-lktat по электричеству и магнетизму^, Нз составлен- ных им уравнений электродинамики следовал выводе» возможности рас- 11 ростра е ген и я злекгромл гпитнык волн со скоростью света, С цустя 15 лет Г. Герц зкенернментальным путем подтвердил теорию Максвелла, Суть опытов Герца состояла в следующем: к двум латунным етержЕгям С малым ЭаЗОрОМ между НИМИ ПОДКЛЮчалас»! индукционная катушка. с издающая вы- сокое напряжение, Когда Еганрнжение превышало напряжение пробоя, в за- lop: 11 pi ;ска к I ib;i. и нс \ра п i рои г ходило возбужден ие1 и .'г:лг: ио i air ра- ма гпнгпых Ko.icoiLEE и й. 1'1злучг1 । н ыс колебания регистрировались на расстоянии н несколько десятков метров. Боле!' пека минуло с изобретения радио, н все :»то bjh'mh ведутся споры по установлению авторства, В России уверены, что радио и;юб]н.'л Александр Стгпяееонич Пешоец па Западе — ЧТО ИТаУЕЬЯНеЦ Гул|,С.’|I,ио Маркони. Важно ТО, 'СТО .мир получил уЕ[НКаЛЕ1ПеЙ|||е4‘ Средство коммуникации, И мы можем гОрдитъся, ч то А. С, Попон 7 мая 18(15 г. впервые продемонстрировал бес- проводную СВЯЗЬ, Заметим, что все э го было бессловесно# радио; первые р^лиоперелатчм ки Не умели передавать звук; — ohe'ihl e'O]] мог лишь вклн»чатЕ> и вы к. ИОЧА'П, З. Н‘- кгрический сигнал телеграфным клнечом. Эпоха радио началась лишь по- сле' изобретения Луи де Форестом т]>ех:-*,тектр»тдпой гыскгронной лампы - триода, ТрИОД ПОЗВОЛИЛ СОЗданатЕ! n'liE'paTEipEiE для iio.iv'H'hiui мощных нс- аатуха ющих злектромнгнитных колебаний, yenливат»! их, мОдулирондтв ш‘- редаваемый сигнал по амплитуде и кыно;п1я гв различные и[1Е!об]]лзования при передаче сооощеннй, 24 декабря 1&06 г, американский мнжт'нер Реджи- нальд Фсгсендеп менодом дмЕглигудпой модуляции с помощью машин вы- гокЕ»н часпиты осуществил Ш’рную в истории радиопередачу.
Раздел I ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ, СЕТИ И СИСТЕМЫ СВЯЗИ

Глава 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СЕТЯХ И СИСТЕМАХ СВЯЗИ В результате освоения материалов главы 1 студент должен: * физические свойства сообщений и каналов связи; * основные виды и информационные характеристики сообтцени!! и каналов связи: fl.Ki'HIh • получать математические модели каналов связи; ’ оценивать основные характеристики систем свизи; вяадетъ * навыками решеннл Задач Оптимизации систем связи. Для обеспечения обмена сообщениями между большим числом абонен- тов требуется создание многоканальных телекоммуникационных систем. Tr.kiir i i:: ।. •11,1 :i.4jn:iiii: '.nt i::.'aif>tnn tn. < ежремгннля iis: :.i h но мно- гом определяет технический прогресс в разных областях науки, техники и производства. Это обусловлено тем, что с помощью различных систем связи решаются такие проблемы, как передача, обработка, хранение и ото- бражение информации, передача команд на управляемые объекты, кон- троль и обеспечение функционирования измерительных и производствен- ных комплексов. Чтобы создать электромагнитные волны и заложить в них информацию, требуется ряд специфических операций. Для получения [|р[?дгганленич о наиболее? типичных операциях, необходимых при переда- че информации на расстояние, рассмотрим общие вопросы построения те- лекоммуникаций и входящих в них сетей и сетей связи. 1.1, Информация, сообщения и сигналы в системах связи Физиологические возможности человека не позволяют ему передавать большие объем lit информации на значительные расстояния без техничес- ких средств. 11оэтому используются специальные преобразователи сообщен ннй в электрический сигнал и обратно. Например, преобразование звуко- вых колебаний в электрические осуществляется с помощью микрофона. Обратное преобразование сигнала в звуковые колебания производится эле- ктродинамическим громкоговорителем. I [реобраэование оптического изоб- ражения в электрический сигнал осуществляется на основе фотоэффек- та. Для решения проблемы передачи информации человечество создали и использует технические средства — т&техольчгдшхдции. Термин «телекоммуникация* состоит из слов теле (от греч. tele — дале- ко) и коммуникация (от лат. commnication — связь) и означает саязь на рас- 15
стоянии. К телекоммуникациям относятся ЭлектрОСняЗь, подвижная, Спут- никовая и волоконно-оптическая связь, телевидение, Интернет (англ Internet}, системы глобального позиционирования, локальные компьютер- ные сети, электронный банкинг, банкоматы, интернет-магазины, социаль- ные сети, поисковые системы и многое другое. Электросвязь, осуществляе- мую с помощью радиосигналов, называют радиосвязью. Фактически телекоммуникации — эго передача или прием знаков, сиг- налов, сообщений, изображений и звуков или информации другого вида с помощью радио, визуальных или других электромагнитных систем. Человечество живет в постоянно изменяющемся и пополняющемся ин- формационном мире. То, что человек видит, слышит, помнит, знает, — все это различные формы иен|ю])Мг1Ц[.|н. Как образно отмстил К. Шеннон, «ин- формация — послание, которое уменьшает неопределенность* (есть и такое похожее определение «информация есть устраненная неопределенность*). Но любое использование информации возможно лишь при условии ее пе- редачи на расстояние. Термином «информация* (от лаг. informatio — разъяснение, изложение, ознакомление) с древних времен люди обозначали процесс разъяснения, изложения, толкования различных сведений. Позднее так называли и сами сведения, и их передачу пользователю it любом конкретном виде- В общем случае под информацией понимают сведения о каких-либо событиях, фак- тах или предметах. Техника связи тети о связана е типрией информации и передачей ее на расстояние. В настоящее время понятия «информация* и «сообщение* в повседневной жизни люди употребляют очень час о. Вместе с тем .ни по- нятия сложны, хотя и близки по смыслу, поэтому дать их точные определе- ний! через более простые терм ины достаточно трудно. Совокупность знаков (символов, от греч. symbol — знак — англ. сЛапк/еп символами могут быть цифры, буквы и элементы алфавита, отдельные сло- ва и фразы человеческой речи, жесты и рисунки, формы электрических или световых колебаний и тд), отображающая (несущая) информацию, назы- вается сообщением. Сообщение — совокупность символов конечного алфа- вита, являющаяся формой выражения информации. Иногда сообщение трактуют как информацию, выраженную и определенной форме и подлежа- щую передаче. В информатике сообщение — это форма представления ин- формации, имеющая признаки начала и конца, предназначенная для пере- дачи через среду связи. Чтобы передать информацию, надо передать содержащее эту ннформацию сообщение. Различают оптические (телеграмма, фотография, телевидение) и звуко- вые (речь, музыка) сообщения. Документальные сообщения фиксируются и хранятся па определенных носителях, раньше на бумаге, а теперь и на эле- ктронных нос шел ях. Сообщение представляют в виде телеграммы, сведений, передаваемых по телефону, радио, телевидению и т.д,, совокупности электронных данных, хранящихся па магнитных носителях, флеш-памяти (от англ, flash — вспышка; перепрограммируемая постоянная энерго независимая память), ис- пользуемых в компьютерах. Это г вил информации называют электронным. Электронный вид информации привел к Интернету. 16
Internet (сокращ. от англ. Interconnected networks Вс емирная с истема объедим пн i.i\ компьютерных сетей) глобальная мировая информацион- но-телекоммуникационная сеть инс)юрмационных и вычислительных рес ур- сов Эту технологию организации обмена ин<|и»рмациги между различными техническими системами и сетями с вязи называют WWW-me\no.io/ueii ( U'll’U' World Wide Web - Всемирная паутина). Сеть (рис. 1.1) объединя- ет миллионы компьютеров и позволяет обмениваться информацией мил- лиардам .Полей В телевизионных (пюмпид^гше — ОТ Греч, tele - далеко и ла г. г idea — ви- жу: да мко видеть) системах при передаче движущим я и юбражений сооб- щение пре,В гавляет собой кзменение ВО времени яркости ЗЛеМСНТОВ изоб- ражения. Начало пониманию информации как всеобщего свойства материи было положено II Винером в его монографии «Кибернетика, или управления и связь в животном и машине» (1948). Современная информационная на- ука находит применение в самых разных областях Поэтому до сих нор еще нет всеобщего для всех наук к пссическ.....рем тения понятия «инфор- мация». Применяемое в связи современное понятие «информация» ввели в начале XX в. I’. Хартли и К. Шеннон. Нод нш/ю/ммцмгн понимаю! сово- купное и. сведении о каких-либо событиях, явлениях или щи дмечах, пре д- назначенных для передачи, приема, обработки, преобразования, хранения или iieiioc|N-.ic'iB<‘HHom использования. Зависимость иш^Ч^^пции от вре пени суще> твочания ее чт ите tn важ- нейшее информационное свойство материи, которое и является памятью. Важно IO, что в отличие <н материа n.noio идпергетичес КОГО ресурсов инфор- мационным не уменьшается при пот|м*бленин, а существенно пополняете я и накапливается СО Временем (ученые считают. что объем человеческих знаний удваивается каждые 10 лет, а объем информации каждые 1 2 ГО- ДЫ Д ш сравнения можно отметить. что производительность и быстродей< - вис1 компьютеров увеличиваются вдвое менее чем через 1,5 года). Более то- Рш. 1.1 Частичная карта Интернета: каж дая линия расположена между двумя '-злами. СОСДНИВЯ IP адреса: длина линии .. pi и. г и 1.1 . р, . < и) м, . . мм (in очник: www ipte.org/maps) 17
ГО, с 11<»М1]|ЦЬН> Г114'1(1 IS-I.fi ьн ЫХ 'Г4а'ХН 11444: НИХ 11 ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ Ср(!ДГГН ИII- формационный ресурс сравнительно просто обрабатывается, преобразует- ся и передается на значительные расстояния. Появилась новая наука о пре- образовании информации — информатика. Часто наряду с информацией, особенно при описании действия цифро- вых устройств и вычислительных систем, употребляют такое понятие, как данные. Используемые данные являются уже информацией. Особенностью информации является возможность ее многократного применения. В частности, при извлечении информации из памяти компью- тера информация, записанная в памяти, т- исчезает, а начинав г свое само- стоятельное существование и может быть использована различным обра- .ш.м. Как правило, с течением времени память ухудшается н результ;гп! роста энтропии (от греч. entropia — круговорот, превращение) системы па- мяти, и записанная информация может постепенно стираться. Другая принципиальная особенность информации состоит в том, что обычно ее по- лучают в одном месте, а используют в другом, и поэтому требуется ее пере- дать на какое-то расстояние. Коммуникации могут быть разделены следующим образом. .'{унте.:>»<'!a fi ре.к1 но. ни г. иное д. ы Зри i . :.ныг ее. ни. ii.i передаются флагами, огнями, пиротехникой, прямыми сигналами и други- ми заранее подготовленными визуальными средствами, например такими, как маневры самолета. Звуковое вещание предполагает передачу звуковых программ, предназ- наченных для непосредственного приема населением. Видеотелефонная связь рэссчитсна на одновременную передачу изобра- жения и речевых сообщений. Телевидение применяется для передачи голосовой и видеоинформации и требует дорогостоящего оборудования и широкоднапазонных линий связи. Передача данных, как правило, обеспечивает связь человека с компьюте- ром, а также между компьютерами. Телеграфия — метод передачи письме яхсообщений по проводам. Э го относительно медленный метод, приблизительно 10—15 слов/мип. по он используется тогда, когда другие типы радиопередачи подавлены. Телетайп — быстрый метод (40—100 слон/mi ж) передачи сообщения по проводным или многоканальным радиолиниям или по радиотелетайпу. Обычно используется в общей сети связи, доступной через центр связи. Фототелеграф) (факс) — относительно медленный метод передачи не- подвижных изображен и и: текстов, таблиц, чертежей, фотографий и т.д. Обычно используется для прямой связи, чтобы ответить определенному требованию. Свянь — электронная техническая база, обеспечивающая передачу и при- ем информации между удаленными друг от друга людьми или устройства- ми и системами. Телекоммуникационные системы и сети — пространственнораспреде- ленные системы массового обслуживания в виде совокупности техничес- ких устройств, алгоритмов и программного обеспечения, обеспечивающие г гол учение и обмен информацией в любое время суток и в любой точке зем- ного шара при помощи электрических и электромагнитных колебаний по 1В
КабеЛЬНЫМ, ВОЛОКОННО-1ШТИЧГСКИМ И радиотехническим КЗИЗЛаМ В различ- ных диапазонах волн. 3111 системы позволяют передавать, накапливать И распределять информационные данные, тексты, изображения, аудир- Н м ул ьти м един 11 у ю и пфор м а [ io, r i грее )ф<н и я ее К и е [ I poi 'ра.м м ы, < 1бс<' i Ц‘ч и - ВИТЬ д ОСгДнку злект]юн ной почты, предоставлять услуги И иге [in era. t 'гшрс'.меншл' телекоммуникации (в том числе сис темы связи) исполь- зуют множество различных технологий, количество которых стремительно увелнчиваетея. Однако наибольшее развитие получили: ' сиг гемы । г.; hi ю г:г|,р? четьим кабе. 1ям ( К( Ч ); ' волоконно-оптические линии СВЯЗИ (BOJ1C); • системы связи с искусственными спутниками Земли (ИСЗ); • узкополосные и ширпкошклосные наземные системы sVl€KTpOCHH;iiц • оптические системы связи открытого распространения. В Этом перечне сис темы связи разделяются па группу каб&ЛЬНЫХ (КСС и ВОЛС) и группу гкт:пр1нм)ны.г с метем. Па рис. 1.2 показана условная диаграмма областей применения налич- ных телекоммуникационных Систем, {ГГНОГЯ1Ци хся к цифровым технологи- ям. Выделены две большие основные облаети применения: системы связи с ИСЗ И воле, ('пегих w ! ня.ш ио 1 т/шчхеки и абе.< н у • ।i • , 1 ил и наибольшее pan ip< i- rqiaiiCHne в рас предел и телы । ых сетях (например, в системах кабельного те- левидения) и системах дальней связи, однако высокая стоимость исходных материалов (цветных и драги ценных металлов) наряду с относительно не- большой полосой пропускания делают проблематичной конкурентоспособ- но! । । подобных устройств в д-, I ь м. (16:i т.н нс. ос ;. :’i-:iм। i :io. .пых Структур являются долгое время строительства, снязшиюе г земляным И или ПОДВОДНЫМИ работами, подвержен НОГТЕ! воздействию природных ката- клизмов, аКТОВ вандализма И терроризма н все воз ряста юн щи cronxioc'1'ь ирО кл ад< 1 ч н ы х [ >а бо г, В в(гк)к<>иио-(>!ипг.1’1еекил .Чапине евязи удается реализовать все преиму- щества снега как носителя информации. Такне линии обладают высокой пропускной способностью (цОД нропуСКНОЙ Способностью СИСТеМЫ СВЯЗИ Десятки Ti.i сяк ки.'н шетрон Системы спутниковой CLIBJIL Тысячи кллныетрин 10 (id МбптА_; Скорость , ТСГ' |1;|(итты Др622Мбит/с 1 f’ite 1.2. Условная диаграмма областей применения различных телекоммуникационных систем с цифрппымн технологиями 19
иоиимцют предельно д|и;гижим<и: количестно передаваемой информации (или наибольшую скорость передачи информации - число биг в секунду), которое можно передать через сети; это называют и емкостью С), невоспри- имчивы к электромагнитным помехам, не подвергаются коррозии в агрес- сивных средах, имеют малую массу, передача по ним недоступна для под- слушивания и перехвата. К характерным особенностям систем связи через ИСЗ относятся воз- можности передавать относительно небольшие объемы информации на очень большие расстояния и перекрывать значительные площади. Наземные беспроводные системы играют значительную роль, успешно конкурируя с ВОЛС и спутниковыми сетями, особенно для связи па не- болмн не расстояния. К таким системам относятся нити ясские системы свя- зи открытого распространения, а также узкополосные и широкополосные системы связи. Оптические системы связи открытою распространения, получающие развитие н последние гиды, подразделяются ..фра красные и лазерные. Эти системы позволяют передавать значительные объемы информации па малые расстояния (сотни и тысячи метров). Небольшая дальность объясни- спя потерям и в атмосфере из-за тумана, дождя, снега, смога, града н различ- ными естественными и искусственными препятствиям и. Лучшие системы позволяют передавать цифровые потоки со скоростью более 200 Мбит/с па расстояние до 4—5 км при любых погодных условиях, концентрируя сигнал в чрезвычайно плотный луч п применяя автоматический ПОИСК и юстиров- ку (настройку) системы, которая удерживает луч спета в апертуре (площа- ди поверхности) приемной антенны. К характерной особенности развития современных систем связи можно отнести переход на нее более высокочастотные участки рад и одна пази на от 5 до 100 ГГц. При этом обеспечивается передача больших объемов инфор- мации на расстоянии прямой видимости. Излучение на частотах нижних участков диапазона проходит через атмосферу лучше и, к примеру, в диапа- зоне 2 ГГц может перекрыть расстояние вплоть ди 100 км, а радиосистема с той же мощностью передатчика в диапазоне 38 ГГц обеспечит протяжен- ность не более чем 5—7 км. Одно из названий наземных систем связи, рабо- тающих н диапазонах 5—100 ГГц, — микронпынозая связь. К ним относятся радиорелейные липин н сети связи прямой видимости, системы распреде- ления информации и некоторые сотовые структуры. Современная аппара- тура для радиорелейных линии и сетей связи прямой видимости выпуска- ется на диапазоны 2, 4, 6, 8,11,13, 15,17, 23, 27, 38 1 Гц и выше. Последние десятилетия в сфере сверхширокополосных систем связи на- блюдается процесс замещения электронных систем па фотонные. Связано это с иной физической природой фотона. Отсутствие заряда и массы наде- ляет его уникальными свойствами. Фотонные системы связи не подвержены внешним электромагнитным полям, обладают гораздо большей дальностью передачи и шириной полосы пропускания. Эти: и другие преимущества, уже реализованные на базе фотоники в сфере телекоммуникаций, дают право говорить о возникновении нового направления — радиофотоники, появив- шейся нз слияния радиоэлектроники, интегральной и волновой оптики, сверхвысокочастотной (СВЧ) оптоэлектроники и ряда других отраслей. го
Технологии телекоммуникаций — ;-rni принципы <jpгиi:и:Чг<rLtin современ- ных аналоговых и цифровых систем и сетей связи, включая компьютерные сети и Интернет. Если для построения локальных и корпоративных сетей минут быть использованы только проводные каналы связи, в том числе и высокоскоростные iso/iokoh ио-оптические линии связи, или беспровод- ные, например использующие технологии радио Ethernet (от англ, etfter - эфир: пакетная технология передачи данных преимущественно локаль- ных компьютерных сетей), то создание глобальных сетей уже невозможно без широкой интеграции как проводных, так и беспроводных каналов, включая спутниковые каналы и сети связи. Хранение информации — фиксация параметров носителя информации. Для передачи или хрипения нужной информации ИГППЛЬЗуЮТ различные знаки — символы, позволяющие представить ее в некоторой форме. Первой серьезной работой но теории передачи информации считают статью американского связиста Ральфа Хартли «Передача информации^ (1928), Р. Хартли сделал открытие, состоящее в том, что информация допу- скает количественную оценку. Он предложил количество информации, пе- редаваемое но каналу связи относительно deyx равновероятных исходов II ГНПМЛНЛЦСГ Ш'ОИрСДГ. Il'HIKU I ... IHU'IIIIHIl I : II;. I ГМ Н|1.НЫ . I Hi O. UHi-fl НС них за единицу информации, потом получившую название бит. Однако лога- рифмическая формула Хартли позволяла определять количество информа- ции только для случая, когда появление символов равновероятно и они ста- тистпчески независимы. Но эти условия выполняются чрезвычайно редко. Немаловажное значение для теории передачи дискретной информации (по телеграфным линиям) имела работа Гарри Найквиста «Некоторые фак торы, воздействующие на скорость телеграфирования* (1924). Но наибо- . ктзначимi.i.m ицнюм в становлении теории передачи информации явились уже упоминавшиеся ранее фундаментальные работы Клода Шеннона, раз- вившие идеи Хартли. К. Шеннон впервые стал исследовать статистическую структуру передаваемых сообщений и действующих в канале связи шумов и, кроме того, анализировал не только конечные, но и непрерывные множе- ства передаваемых сообщений. Шеннон рассматривал информацию как со- общение об исходе случайных событий, о реализации случайных сигналов. Поэтому количество информации ставилось им н зависимость от вероятно- сти наступления этих событий; если сообщение несет сведения о часто встречающихся событиях, вероятность появления которых стремится к единице, то такое сообщение малоинформативно. К. Шеннон в вел поня- тие «ЭНТрОния источники (:ооб|цснпЙ!- как метрику измерения объема ин- формации. Теория информации Шеннона позволяла ставить и решать за- дачи об оитималыюм кодировании (и модуляции) передаваемых сигналов с целью повышения пропускной способности (емкости) каналов связи, подсказывала пути борьбы с помехами на линиях связи и т.д. Введение Шешкиюм способа измерения количества информации привело к форми- рованию самостоятельного научного направления в электросвязи теории информации. I (араллельно на основе работ В. А. Котельникова развивалось другое научное направление — теория потенциальной помехоустойчивости. В. А. Котельниковым в 1946 м 1956 гг. были опубликованы работы посшти- 21
мильным .методам ii[)iiiLn;i tiiirjnи потенци;зл1>ний номехоустончивп- сти. Теория потенциальном помехоустойчивости определяет предельные возможности приема сигналов при наличии шумов. Использование резуль- татов работ В. Л. Котельникова л ало возможность сулить о том, насколько конкретная система передачи информации близка к идеальной г го своей структуре и способности выделять сигнал из смеси сто с помехами и шума- ми. Гл а иная задача теории помехоустойчивости - отыскание таких спосо- бов передачи и приема информации, при которых обеспечивается наивыс- шая достоверное! ъ принятого сообщения. Сигнал (от лат. signum знак) физический процесс, несущий инфор- мацию о состоянии какого-либо объекта наблюдения. Сигнал - материаль- ный носитель информации, Обладающим переменными пирамгтрнми. По существу значения параметров несущего сигнала отражают передава- емое сообщение. Сигнал переносит информацию н пространстве и во вре- мени, и это представляет собой материально-энергетическую форму ин- формации. По своей природе сигналы бывают электрическими, электромагнитны- ми, оптическими, акустическими и др. В системах связи в основном ис- пользуют электрические и оптические сигналы. Физической величиной, характеризующей электрический сигнал, является напряжение, несколько реже - сила тока (иногда мощность). Для сигнала возможен и ряд других определяющих физических величин, например зависимость давления воз- дух;! H I ! : I Ki - О I зрсмгцц \ I < i,:J It) ХГр/.К II ])ll IOIhI I I, ЫН, .<HV Ь” ' I' Я I i'lll'li:). I. J/.H cjtmoctl яркости от положения точки на плоскости можно рассматривать как черно-белое изображение. В системах оптической обработки информации сигналом может являть- ся iivix’i, uiri inc ц ыюс i u i ncы tr нросi p;incinc- : i.x Loop.uiim i изоб- ражения. При временном подходе аналитическим Описанием конкретного сигнала может быть некоторая функция времени и(£). Определив каким- либо образом эту функцию, можно определить и сигнал. Однако на практи- ке полное описание сигнала не всегда требуется. Часто достаточно более общего описания в виде нескольких параметров сигнала, характеризующих его основные свойства. В книге далее везде подразумевается (если иное нс OlOHOpCUO CJJt'lLHiL'Ilillo), ЧТО З.'Ц'К I | П1ЧГСК11 ii CliriLL'l u(f) LI рСДГТЛИ.'ИН' Г Собой зависимость напряжения от времени. Сигналы, отражающие информацию, могут воздействовать па преобра- зователи п усилители сигналов. Преобразователи сигналов делятся на два класса, На itpcnfipancnsaTe.'iH одного класса воздействует физический про- цесс одной природы (например, звуковой сигнал), а па выходе получается сигнал другой природы (в частности, электрический сигнал па выходе ми- крофона, гедекамеры и пр,), В преобразователях (и усилителях) другого класса осуществляется преобразование (и усиление) электрических енгна- лов без изменений их физической природы. Передаваемые (часто используется характеристика «полезные») сигна- . и,| ф:гв: .i;)\ itr: иу нм и (личн ппя :тх ii.hi лил ццрц.мг. :xir; ।|:ч 1,яi1 л с’.-чеы о 11:i- сителя н соответствии с передаваемым сообщением. Этот процесс измене- ния параметров носителя сообщений в радиотехнике и связи называют 22
Следует ннеггн параметры передаваемого сигнала, которые являются ос- новными С точки Зрения in ч> передачи. Такими параметрами я илянптя t)sm- ntf'.'HiHucniii гН/на.ча Ttt 1чо ширина спектра F и йнна.чический диапа.шп £> .. Практически каждый электрический сигнал, рассматриваемый как вре- менной процесс, имес'1 начало и конец. Поэтому длительность сигнала Г является естественным его параметром, определяющим интервал времени, в пределах которого данный сигнал существует. Для оценки условий прохождения сигнала по каналу связи необходимо знать важнейшую характеристику ширину спектра. Ширина спектра пе- редаваемого сигнала F даст представление о скорости изменения этого сиг- нала внутри интервала его существования. Спектр передаваемого сигнала в принципе может быть неограниченным. Однако для любого сигнала мож- но указать диапазон частот, в пределах которого сосредоточена его основ- ная (до 90%) энергия. Практически все электрические сигналы, отображающие реальные сооб- ни'нпяг содержат бесконечный спектр частот. Д-чя неискаженной передачи таких Сигналов потребовался бы Канал г бесконечной ihlukdh пропуска- ния. В то же время потеря па приеме хотя бы одной составляющей спектра приводит к искажению сигнала. Поэтому ставится задача передавать сиг- нал в ограниченной полосе пропускания канала таким образом, чтобы ис- кажения сигнала удовлетворяли требованиям и качеству информации. Та- ким образом, исходя из технико-экономических соображений требований передачи, можно сказать, что полоса частот ограниченный участок частот. Ширина полосы частот Доопределяется разностью между верхней Ft и ниж- ней FH частотами в спектре сообщения. В теории связи реальную ширину спектра передаваемого сигнала часто сознательно сужают (при этом сужают ширину спектра исходя из допусти- мых искажении сигнала). Это связано с тем, что радиоаппаратура и линии связи имеют ограниченную полосу пропускаемых частот. Tlpii pfitimjnif.K't/nntHoii свп:ш элементы речи (звуки, слоги. слона и т.д,) нронзшк’Я1<я фактически Слитно и не имеют четких границ. С немалы теле- фонирования представляют собой последовательности речевых импульсов, отделенных друг от друга паузами. Импульсы соответствуют звукам речи, произносимым слитно, п весьма разнообразны но форме нами, штупе (амплиту- да сигнала представляет собой модуль наибольшего его отклонщпгя от нуля). Длительности отдельных речевых импульсов также отличаются друг пт друга, но обычно они близки к 100—150 нс. Паузы между импульсами из- меняются в значительно большем диапазоне: от нескольких миллисекунд (межслоговые паузы) до нескольких минут и даже десятков минут - паузы при выслушивании ответа собеседника. Частотный спектр речевого сигна- ла очень широк (рис, 1,3). однако экспериментально установлено, что для передачи речи с достаточно высоким качеством (узнаваемостью голоса або- нента, воспроизведением тембра, yjicjn.ri'riitjpirrt,.iгыn>ii натуральностью II ризиш)1: Hinr ILKI С. I()l (Hi (WJ"., ) II i |)|И13 (!?)",,) ) МОЖНО [>I ])J 1111 Ч И I btTI ПОЛО- СОЙ частот 300—3^00 Гц, Кстати, для унификации многоканальных Систем г ля ни за основной, или стандартный, канал принимают канал тональной ча- стоты (канал ТЧ), обеспечивающий передачу сообщений с эффективно передаваемой полосой частот, соответствующей основному спектру теле- фонного сигнала. гз
Рис. 1.J. Спектральный состав речевого сигнала Источниками звука при передаче программ вещания являются музы- кальные инструменты или голос человека. Спектр звукового сигнала зани- мает полосу часто г 20 20 000 Гц. Чаете)та импульсов основного топа лежит в пределах от 50 80 (бас) до 200 250 Гц (женский и детский голоса). В системах радиовещания для высококачественной передачи музыки требуется полоса частот 30 20 000 Гц. Эго связано с тем, что звуковых ко- лебаний с более высокими частотами человек практически не слышит. Причем передача такой» широкого спектра частот без взаимных помех большого числа радиостанций в диапазонах километровых, гектометровых н декаметровых волн технически весьма затруднительна. Поэтому при ра- диовещании на этих волнах ограничиваются передачей спектральных со- ставляющих в полосе частот 50 4500 Гц. На метровых н дециметровых волнах (в частности, звуковое сопровождение телевизионного изображе- ния) передача осуществляется в более широком спектре (30 10 000 Гн), в результате чего достигается более высокое качество передачи музыки. Точно так же необходимая ширина спектра телевизионного сигнала опре- деляется т]эебуемой четкое! 1ло передаваемого изображения. Для достаточ- но высокого качества полоса частот AF должна составлять 50 -10 000 Гц. для безукоризненного воспроизводства программ вещания (каналы высше- го класса) - 30- 15 000 Гц. В телевидении для качественного воспроизведения изображения необ- ходимо разложить его на большое число элементов и передать информа- цию о яркое ги каждого элемента. Кроме того, для слитного восприятия гла- зом движущегося изображения частота смены кадров на экране должна быть достаточно высокой. Телеграфные сигналы и передача данных. Сообщения и сигналы телепза- фии и передачи данных относятся к дискретным. Уст|юй< ч ва преобразова- ния телеграфных сообщений и данных представляют каждый знак сообще- ния (букву, цифру) в виде определенной комбинации импульсов и пауз одинаковой длительности. Импульс соответствует наличию тока на выходе устройства преобразования, пауза отсутствию тока. Телеграфный сигнал представляется колебанием с дискретной модуля- цией. Сигналы телеграфии и передачи данных обычно имеют вид последо- вательное ей прямоугольных импульсов. Чем меньше длительность им- пульсов, отображающих сообщения, тем больше их будет передано в единицу времени. Ширина спектра телеграфного сигнала зависит oi скорости его переда- чи (и от длительности самих импульсных посылок Т- тн, с) и обычно при- 1111 м ается равной F 1,5 и, где р скорость телеграфирования, ил и с корост ъ модуляции (часто скорость передачи импульсных посылок, или технике екая скорость) в бодах (baud). Один бод (введен в телеграфию Ж. Бодо) 2Л
। KtjpcH Th, при которой за I с передается один посылка. Итак. iipii д,пii rftib- ности импульса т„ = 1 с скорость передачи p = 1 бод. В телеграфии исполь- зуют импульсы длительностью ти_ 0,02 с, что соответствует стандартной скорости телеграфирования 50 бод, т.е. г-t/т,. Тогда при телетайп ной перес- даче сообщении п скорости передачи г = 50 бод ширина спектра телеграф- ного сигнала Ь'--- 75 Гц. Если длительность посылки т, выражена в секундах, то техническая скорость (скорость модуляции) есть величина, обратная ... и: if. ibiioc I и енкы. ikh. г I Г 1/т | по I. . Oi |:;;.iii:,ii inii-скорое . и циду- ля цин (скорости телеграфирования) обусловлено техническими характе- ристиками реальной системы передачи информации. По скорости передачи телеграфного сигнала системы передачи делят слe,riy ю ।ци м об]>азом: • низкоскоростные (НС) — до 200 бод; * среднескоростные (СС) 600 1200 бод * высокоскоростные (ВС) — 2400—96 000 бод. Частота следования двоичных {binary) посылок (т.е, <1* и *0*) называ- ется тактовой частотой Fr Численно FT соответствует скорости передачи информации в бодах. При перещче двоичных гиг налов достаточно зафиксировать либо нали- чие или отсутствие импульса (при однополярном сигнале), либо знак им- пульса (при двуполярном сигнале). Импульсы в приемнике можно уверен- но зафиксировать, если для их передачи используется ширина полосы, числиЕ[но ранная скорости передачи в бодах. Для стандартной скорости те- леграфирования 50 бод ширина спектра телеграфного сигнала составит 50 Гц. При скорости 2400 бод ширина спектра сигнала раина 2400 Гц. При передаче сообщения комбинацией символов «1> и «(К, т.е. двоим- егьем КОДОМ, Элементарную посылку (двоичный символ, дкоичнуи» цифру * Ь или *(Ь) называют битом (от англ, binary digit — tbit* — двоичная еди- ница). Итак, бит один двоичный разряд символ, принимающий лишь одно из двух значений; «Ь или *0» (следует иметь н виду, что слово «бит*- и icnpur ннс|)О|)м;|Ц1Н1 ими i ,-.n;i |:.i ; иг -in hr: . ii I:i тс 1: 11 я: одно iic :i;: i:i'. i-i гh в качестве синонима двоичного символа, а в торое обозначает единицу ко- личества информации, необходимого для различения двух равновероятных сообщений (например «орел* — «решка?» и т.д.)). Так, Лрсглстны-ы-н нс сим- волов в виде комбинации 101 есть 3-битовое число. Кри этом количество передаваемой за секунду информации (символьная скорость) измеряется в битах в секунду (бит/с - bps), Для избежания неясности (гм. ди. нт») заметны, что при cHEixpoiiiioii пе- редаче цифровых данных обозначение -«бит/с* аналогично обозначению «бод*, т.е, скорость 1 бит/с - I бод, поэтому при совпадении технической скорости системы с требуемой символьной скоростью передачи информа- ции скорость можно определять как в битах в секунду, так и в бодах. 11ервое опубликованное представление (1670) двоичной системы счисле- ния (система счисления — правило записи чисел с помощью заданного паб№ ри цифр) принадлежит испанскому священнику Хуану Карамюэлю Лобко- вицу. Всеобщее же внимание к этой системе привлекла статья Г. 1ейбница (1703), в которой пояснялись двоичные операции сложения, вычитания, умножения и деления. В двоичной системе (основание Я - 2) целое число £5
представая ют кяк сумму степеней числа 2 с соответствующими коэффици- ентами 0 или 1, Работа большинства компьютеров основана именно на этой системе чисел. С помощью двоичной системы кодирования можно эафик- гпрпиать любы с ла ни ьн'. Это легко шшять, если нгномееить нрцЕщин коди- рования и передачи информации с помощью азбуки (кода) Морзе, Восемь бит называется &rw/wo,w (от англ, byte часть). При использова- нии /[ноичноею представления кодовая комбинация может выражать целое число, равное уровню непрерывного сигнала в момент его дискретного от- счета. Байт служит в качестве единицы представления информации: букв, слогов и специальных символов (занимающих еищечно все 8 бит) или деся- тичных цифр (по две цифры в 1 байте). С помощью I байта можно полу- чить 256 разных двоичных кодовых комбинаций и отобразить с их помо- щью 256 различных символов. Кодирование заключается в том. что каждому символу ставится в соответствие уникальный десятичный код от О до 255 или соответствующий ему двоичный код от 00000000 до И1 lilt 1. Обычно спектр модулированного сигнала шире спектра сигнала, отра- жающего передаваемое сообщение, и зависит от вида модуляции. Поэтому в теории сигналов и связи используют такой параметр, как база сигнала'. Bc-2FJC В теории информации вводят более общую характеристику — об&ем сиг- нала', к - т.т. Чем выше частота сигналов, тем большего объема и с более высокой ско- ростью можно передавать сообщения. Объем сигнала дает представление о возможностях данною множества сигналов как переносчиков сообщений. Однако чем больше объем сигнала, тем больше информации можно «зало- жить * в нею и тем труднее передать такой сигнал с требуемым качеством. , [ипаммческнй диапазон О — отношение наибольшей мгновенной мощ- ности сигнала (мгновенная мощность сигнала равна квадрату его напряже- ния, тжр^)* j/(г)) к наименьшей мгновенной мощности. Обычно его удоб- нее ВЫ]ХЕЖЛ'Г1: Н децибелах. При CpaBIIE'EILLEI мощностей Р., и Р{ II дБ = Ю^Р/Р,); Р2/[\ = 10ш° = 1,259. Примечание. В последнее время специалисты но системам связи находят весьма удобным измерять уровень мощности непрерывных сигналов по от- ношению к некоторому заданному значению абсолютной мощное ги. В этом случае говорят об уровне абсолютной мощности в ваттах, используя в то же время преимущества логарифмического масштаба. Обычно используется опорный уровень в 1 мВт, Например, если /’ представляет собой опорный уровень мощности в I мВт, то абсолютная мощность Р2 = t’ Ьт/1 мВт) дБм. Единица измерения дБм в последней формуле читается как «децибел относительно одного милливаттам. Значит, если для непрерывного сигнала известно, что его мощность равна 3 дБм, то абсолютная мощность этого сиг- 26
нала h/lb;i пренЕлгнает 1 мВт, ii.'in ршша 1 мВт, Аналогично 01 ri i;lt vpoH- ня 10 дБм имеет абсолютную мощность 0,1 мВт, При сравнении напряжений (иногда токов) Бг, и Бг, 1 дБ - 20]g(Lr/Lr.); U2/l\ - 1.122. Динамический диапазон речи теле диктора составляет 25 -35 дБ, художе- ства того чтения до 50 дБ, музыкальных и хоровых ансамблей до 55 дБ; симфонического оркестра 65* 90 дБ. Во избежание перегрузок передающе- го канала в мещанин динамический диапазон часто сокращают до 35—45 дБ. При проектировании л создании систем передачи информации обычно оказывается, что спектр передаваемого сигнала сосредоточен не па тех час- тотах, которые эффективно пропускает имеющийся канал связи. Часто не- обходимо в одном канале передавать несколько независимых сигналов од- новременно. Для iK'pE'.bi’iti информации на большие расстояния используют электро- магнитные волны. При этом передачу можно осуществлять по медным про- водам. оптоволоконному кабелю или непосредственно, по схеме передач чик-приемник. В последнем случае используются антенны. Для того чтобы антенна эффективно излучала электромагнитную энергию, ее размеры должны быть Сравнимы с длиной передаваемой волны. Однако Электриче- ские сигналы. Отражающие передаваемые сообщения, как правило, мало- мощны л низкочастотны. А из курса физики известно, что электрические сигналы с низкими частотами нс могут эффективно излучаться в свободное пространство Передавать их непосредственно можно только по проводным или кабельным линиям (телефонная, телеграфная связь и тд,). Передачу электромагнитного колебания па какое-либо расстояние вы- полняют с помощью антенн, размер которых зависит от длины волны X, Для мобильных телефонов размер антенны обычно равен (реально сущест- венно меньше) а/4, а длина водны а _ с//, где с = 3- 11Г м/с — скорость све- та в свободном пространстве;/ — циклическая частота, Гц (герц — частота, при которой происходит одно колебание в секунду). Для частоты, опреде- ляемой в килогерцах, мегагерцах, гигагерцах, соответственно получают еле дующие соотношения:/[кГц] - 300Д [км|;/[МГц] - 300Д |м|;/[ГГц| - = 30/а [см]. Рассмотрим почти гипотетическую передачу низкочастотного сигнала (например, со средней частотой/= 1500 Гц), поступающего в антенну. Ка- кая антенна будет нужна для мобильного телефона при его размерах / - Х/4? Получаем, что для сигнала с заданной частотой 1500 Гц длина антенны I - = к/4 = c/(4f) = 3- 10н/(4 1500)м = 50 000 м = 50 км. Итак, для передачи сигнала с частотой 1500 Гц без несущей частоты требуется антенна размером 50 км. При этом если низкочастотный сигнал передается с помощью несу- щей частоты, например 1500 МГц, размер антенны составит порядка 5 см. Человек воспринимает акустические колебания в диапазоне 20—12 000 Гц, и для передачи звука требуется именно этот диапазон частот. Динамичес- кий диапазон частот (отношение максимальной частоты к минимальной) в этом случае равен 600. а для высококачественного воспроизведения звука он в два раза шире. При решении проблемы передачи пизисочастотного сиг- нала используют преобразование частот и различные методы модуляции, 27
ЧТО ПОЗВОЛЯЕТ Сделать компактную антенну, Перечисленные причины нрино- дят к необходимости такой трансформации исходного сигнала, чтобы тре- бования, предъявляемые к занимаемой им полосе частот, были выполнены, а сам сигнал можно было с достаточной верностью восстановить в прием- нике. Чтобы уменьшить воздействие помех, следует представить сигнал в помехоустойчивой форме, подвергнув его дополнительным преобразова- ниям. Такими преобразованиями являются модуляция и кодирование. Суть процесса (от англ, modulation,. шт. modulatio — размерен- ность) сигнала заключается в следующем. Для передачи информации фор- мируют электрические сигналы {переносчики сообщений), которыми обыч- но являются хорошо излучающиеся и распространяющиеся (с достаточно и и :з ким ь: :.и | uh. 11 и hi । ом загухлш и ) it с: юбидном : рос i [ :; i.: г i л - xi:: и и I ыс :tiii- сокочастотные гармонические электромагнитные колебания — несущие ко- лебания (частоты). или просто несущие (corner). Очень важно помнить, что несущие колебания не содержат информации, а являются только ее пе- реносчиками. Передаваемая но каналам связи информация путем моду ля- пни -«закладывается» подин или ряд параметров несущего колебания. Они изменяются но законам передаваемого сообщения. Исходный сигнал назы- вают модулирующим, а результирующее колебание с изменяющимися во времени параметрами — модулированным сигналим {modulatedsignal). Об- ратный процесс выделение модулирующего сигнала из модулированного колебания — называется демодуляцией или детектированием (detection) ра- диосигнала. 11.рн кодировании сообщения происходит процесс преобразования его элементов в соответствующие числа (кодовые символы). Каждому элементу сообщения присваивает! определенная совокупность символов, которая нлаынастся кодовой комбинацией. Сопокупное гъ кодовых комбинаций, ото- бражающих дискретные сообщения, образует код. Правило кодирования может быть выражено кодовой таблицей, в которой приводятся алфавит кодируемых сообщений п соответствующие им кодовые комбинации. Мно- жество возможных кодовых символов называется кодовым алфавитом, а их количество т — основанием кода. При основании кода т правила кодирования К элементов сообщения гводятся к правилам записи К различных чисел н т-ичной системе счисле- ния. Число разрядов н, образующих кодовую комбинацию, называют раз- рядностью кода пли длиной кодовой комбинации. 13 зависимости от системы счисления, используемой ври кодировании, различают двоичные п п-ичные (недвоичные) коды. Диапазоны радиоволн и их использование в технике электросвязи. В технике связи испо льзуют практически весь спектр частот, расположен- ных в диапазоне 13—101! Гц. Электромагнитные колебания с такими часто- тами называют радиоволнами (волнами). Деление радиоволн па диапазоны установлено Международным регламентом электросвязи. Международная классификация диапазонов волн и соответствующих им диапазонов частот приведена в табл, 1.1. Эта классификация основана на особенностях рас- пространения радиоволн в канале связи (космическом или свободном про- странстве, ионосфере, оптическом волокне, кабеле, волноводе, морской во- де, земной коре и т.д.). 28
Таблица 1.1 Классификация пиан анонов радиоволн (частот) Наименование Диапазон Область применения ВОЛН частот J L<: ка.шч aiK-i ун >вы<: (край- не низкие частоты — КИЧ; ELF) 101—101 км i 30 1 и Иод&одная и служебная связь, звукозапись, звуко- воспроизведение Мстямг т|и тнц- (сверхниз- кие частоты — < ! 14; SLF) 104—1СР км 30-300 Гн То же Гектокнлометровые инф- ранизкиЁ частоты — I I114 ULF) 10'— 10J км 300 3000 Гц То же Мнриаметр&в ые (очень низкие частоты — OI 14: VLF) 100- 10 км 3-30 кГц Далы ин я ] «дивнав и гация, подводная, подземная н слу- жебная связь КнломЁтровые (низкие частоты — 114; LF) 10- 1 км 30-300 кГц Радиовещание,, радионавига- ция, радиомаяки Гектометровые (средние частоты — < 'Tl: MF) 1000 100 м 300-3000 кГн То же Декаметровые (высокие частоты — ВЧ; HF) 100 10 м 3 30 МГн Радиовещание, подвижная связь, радиотелеграфия, за- горизонтная связь(локация) Метровые (очень высо- кие частоты — ОВЧ; VHF) 10 1 м 30-300 МГц Радио- и телевещание, под- вижная и самолетная связь, ради пжжация, радиоастрп- ном и я Дециметровые (ультра- высокие частоты У В11. UHF); L, 5-диалаэовы 10О- 10 см 300-3000 МГц Теле веща i <ие, локаз.[ия, ]>а- дипвы сото меры, сити пая, ра- диорелейная и космическая электросвязь ( и ।iTi । метр н и ,t<‘ (сверх - высокие частоты — СВЧ; SHF); С-, Х-, А'-днапаяоны 10-1 см 3 3(1 ГГц Ради* кл(жапия, радии! iann- гаппя. космическая связь, телеве 11 щн не, радиоастро- ном и я М нлл и метровые(крайне высокие частоты — КВЧ; ЕНЕ) 10 1 мм 30 -300 П и Радиолокация, космическая связь, радиоастроном 1!я Децимиллиметровые и субмнллиметрциые (гл- нсрвысокпс частоты - ГВЧ;(71Т) 1 0.1. мм 30(1 -3000 ГТц Инфракрасная (ИК) лока- ция, космическая связь Электромагнитная совместимость систем связи. Одной из важных про- блем современных систем скыэн является проблема их электромагнитной го1$мг( ти.мо<’1 и (DMC). Ллцшнюбраэиый poor систем сняии всех диапазо- нов радиоволн и различного назначения делает эту проблему чрезвычайно важной. Прежде всего имеются н виду взаимные радиопомехи между систе- мами электр!и-вяан, размещенными на одном объекте или терри тории. Тенденция к укорочению дли и ы рабочей волны приводи]' к нос+можног! и у вс. ini: и ия чпс. la си;' I i м с ri.ni. д. ибо ;л>| и IX 'j. и: ;д1х । :. ц г к с и и nix и па одинаковых или близких частотах. При этом причинами, ибусловлилающи- 29
ми ниаимное влияние каналов систем передачи ИЕЕформацин it диапазоне I 300 ГГц, являются дифракция на неоднородностях трассы связи, рассея- ние радиоволн на гидрометеорах (синоним атмосферных осадков) и турбу- лентностях, а также образование паразитных пространственных волноводов. Обычно эти причины проявляются по-разному. Наиболее серьезной из них является образование паразитного волновода (например, между Землей н атмосферой в скоплениях гидрометеоров, различными слоями атмосферы или ионосферы и тд.), способствующего связи между разными системами. Другие причины и их KiKtii'iicTHiie на ЭМС Систем связи существенно зави- сят от релыч^а местности, района земного шара, lipt'Mciin гола, суток и др. Существенное влияние па распространение как радио-, так и оптических воли в диапазоне частот 1 -300 ГГц оказывает атмосфера Земли. Так, об- ласть частит и диапазоне 50 ГГц соответствует максимуму поглощения энергии радиоволн атмосферой. В этих условиях работа систем связи воз- можна только в так называемых окнах прозрачности, где поглощение ра- диоволн атмосферой минимально. Поэтому, например, наиболее сильное влияние на когмичеткнс трасты протяженностью многие миллионi.i кило- метров оказывает атмосферный участок липни электросвязи, Па непро- зрачном участке атмосферы радиоволны полностью поглощаются и связь практинески i^возможна. 1.2. Способы построения систем и сетей связи. Эффективность систем связи 1.2.1. Понятие системы связи Для обмена сообщениями между многими территориально разнесенны- ми пользователями (абонентами) создают сети связи, обеспечивающие с установленным качеством и в заданное время передачу и распределение сообщений по заданным адресам. Всю совокупность сетей связи можно раз- делить на две группы: сети передачи индивидуальных сообщений и сети пе- редачи массовых сообщений. Сети передачи индивидуальных сообщений классифицируются на телефонные общего пользования, телеграфные, фак- симильные. 11<;)':д;гн1 да:\. с г и । ы. :н г .JMisiOxiihi'.iii об :.< bi := х: . I. Понятие ^система» стало одним из наиболее распространенных н обла- сти радиотехники последних трех-четырех десятилетий. По используемым в качестве переносчиков типам колебаний физической среды и диапазону излучений воли системы подразделяются на сейсмические, акустические п электромагнитные (включая оптические). Любую техническую систему, действие которой основано на непосредственном использовании высокоча- стотных адсктромагши пых колебаний радиодиапазона для сбора, переда- чи, извлечения, обработки или хранения нн||к1рмацин. натыкаю i радиотех- нической системой (к ним относятся и телекоммуникационные системы). Упрощенную структуру построения системы связи можно представить в виде своеобразной пирамиды (рис. 1.4). Фундаментом пирамиды служит элементная база, содержащая резисто- ры, катушки индуктивностей, конденсаторы, трансформаторы, диоды, транзисторы, микросхемы, микропроцессоры, резонансные цепи, монолит- ные фильтры, элементы СВЧ-техники и пр. 30
Рис. 1.1. У проще пиан структура построения системы свич и Из элементе!! составляют второй уровень пирамиды — электронные це- пи (дифференцирующие и интегрирующие цепи, фильтры, формирующие цени и пр.). Узлы конструктивно и технологически объединяют в достаточно слож- ные радиотехнические цепи — каскады'. автогенераторы, модуляторы, демо- дуляторы, преобразователи частоты, усилители сверхвысокой, высокой, промежуточной и низкой частоты и т.д, Следующий уровень — блоки, к которым относят антенно-фидерный тракт, малошумящий СВЧ-усилитель приемника, каскады усиления мощ- ности высокочэс тотных и СВЧ-колебаний, кодек, модем, линейный тракт приемника, уст|юйство цифровой обработки принимаемого сигнала, систе- му управления и пр. Наиболее сложный уровень пирамиды включает функционально закон- ченные устройства — приемники, передатчики и другую аналогичную ра- диоаппаратуру, которые работают самостоятельно в составе различных ра- ди осистом. Вершиной пирамиды являет ся система связи. В теории связи в последнее время часто систему представляют в виде черного ящика. Система, которую представляют черным ящиком, рассмат- ривается как имеющая «вход* для ввода и [[формации и «выход» для отоб- ражения результатов работы, при атом пропс ходящие в ходе работы систе- мы процессы наблюдателю неизвестны. Предполагается, что состояние выходов функциональна зависит от состояния входов. Метод черного ящи- ка — метод исследования систем, когда вместо ее свойств и взаимосвязей составных частей изучается реакция системы как целого па изменяющиеся условия. Описывают системы в виде черного ящика следующим образом (рис. 1.5): • система целостна и обособленна; • внешняя среда воздействует па систему (U — входы, причины); • система воздействует на внешнюю среду (К выходы, следствия); • выходы зависят от входов: Y = F(U). В системах передачи информации сообщения, подлежащие передаче, поступают извне от каких-либо источников, и роль системы состоит в том, чтобы передать их получателю. Все системы связи начинаются с преобразо- 31
Рис. 1,5 Система как черный ящик вателей сообщении, задача которых — преобразовать поступающие сообще- ния в электрические сигналы, наиболее эффективные для передачи, I la вы- ходе приемника системы обычно также имеются преобразователи, выдаю- щие сообщения в виде, удобном для получателя. Основной частью практически всех систем электросвязи является рйЙйОтйпдлсскый канй.1 (радиоканалX состоящий из передающего и приемного устройства и линии связи. Обобщенная структурная схема радиоканала системы передачи ин- формации (системы связи) показана на рис, 1.6. Передающее устройство Приемное устройство Рис. 1.6. Обобщенная структурная схема радиоканала Упрощенно передающим называют устройство, преобразующее сообще- ние в передаваемый сигнал, а приемным — устройство, преобразующее при- нятый сигнал в исходное сообщен нс. Важной частью радиоканала системы связи является линия связи (среда распространения), которая оказывает су- щественное влияние на достоверность и качество пр.маемого сообщения. Линнеи связи называют физическую среду (космическое пространство, свободное пространство — воздух к нейтральном или ионизированном со- стояниях, земную поверхность, морскую воду, волноводы, кабели, волокон- но-оптические линии и пр,) и совокупность аппаратных средств, использу- емых для передачи сигналов от передатчика к приемнику. Простейшая линия связи может представлять собой два провода, соеди- няющие передатчик и приемник, В этом случае речь идет о проводной, на- пример телефонной, связи. Сейчас все чаще осуществляют связь и без про- водов с помощью электромагнитных или световых волн (через световоды). В системах электросвязи линией связи является, как правило, область про- странства, в котором распространяются электромагнитные волны от пере- дающего устройства к приемному. Типичный вид радиолинии показан на рис. 1.7. Примером таких радиолиний являются линии сетей передачи со- общений массового характера (сети телевизионного и радиовещания). Ра- диолиния может содержать несколько промежуточных переприем пых станций. Так строятся линии радиорелейных систем передачи. Отметим, что составными частями практически любой системы радио- и электросвя- зи являются также блоки питания, антенно-фидерные, вычислительные и другие устройства Основные задачи, решаемые системой связи при приеме информации; * обнаружение и различение сигналов на фоне помех; * качественное воспроизведение сообщения. зг
Рис. 1,/ Типичный вид радиолинии связи 1,2.2. Общие понятия о государственных сетях и системах связи Основой электросвязи любого государства (в .ом числе Российской Фе- дерации) является взаимоувязанная сеть связи (ВСС) — совокупность тех- нологически сопряженных сетей связи общего пользования (ОН), ведомст- венных, корпоративных (для определенного круга пользователей) и других сетей электросвязи на территории страны независимо от ведомственной принадлежности и форм собственности, обеспеченная общим централ изо- ванным управлением, которое строится по иерархически-территориально- му принципу. ВСС Российской Федерации имеет разнообразную топологию. Конфигу- рация соединения элементов сети представляет ее топологию. Магистральные линии действующей сети образуют сотовидную структуру: между любыми се- тевыми узлами имеются по крайней мере два-три независимых пути соедине- ния. Это обеспечивает экономичность и высокую надежность сети. Зоновые сети имеют радиально-узловую топологию, к пей добавляется соединение по принципу 4 каждый с каждым» для групп автоматических телефонных станций (АТС), звездообразное подключение абонентов к станции, а также рокадное соединение круговой принцип прохождения связей поперек ра- диусов в обход узлов. Развитие ВСС идет в направлении широкого внедре- ния новых кольцевых структур, особенно па строящихся локальных сетях. Связь Российской Федерации представляет собой совокупность сетей и служб связи и функционирует на ее территории как взаимоувязанный про- изводственно-хозяйственный комплекс. Структура связи Российской Феде- рации (рис. 1.Н) включает в себя электросвязь и почтовую связь. Эти виды связи в своей основе дейс твуют независимо друг от друга, а имеющееся взаи- Связь Российской Федерации Рис. 1.8. Структура сняли Российской Федерации 33
модгнсгние (служебная ;гк,к1])<х,!5яз11 н почтовом веДОМСТВе, ЭЛСКТрОННая поч- та, почтовые уведомления в службах электросвязи) показано стрелками, Состав нзаимоуннзаиион сети связи Российской Федерации покапан на риС, 1-9- В состав ВСС входят сети СВЯЗИ ОП, н том числе ССп?(> общего пи.ислонания (TCQI I, Public Switched Telephone Nefwttrli - PSTN"). mc- .чем.рафиия CCmh общССО гиьчъ:юн(1ния (ТлгОП; Public Snitched Tele^mphe Network), сети передачу щмт (СПГ) и другие вторичные сети no it идам ус- луг Связи, а также cein ограниченного пользования для определенных кон- тиг те нто в абонентов. ЭгО ШЯОЖёШЫС1 сету, И они иг 11 о: 1юг каналы II Г|>г1К"Г11[ В С С- ТС НИМ ОТНОСЯТСЯ ведомствен 1И1К! и корпоративные ССГ и СВЯЗИ для нроизводетгвенных и специальных нужд (например, рыбного хозяйства, Службы ПОЧТОВОЙ связи, нсфге-, газо- и угледооычи и пр.) н геги связи для нужд yiipaivicHия, о1Н)]]Оны, иезпнаснОС'ги и охраны правопорядка (напри- мер, МЧС, полиции и 1.Д.). Вяши-нг-,'няжпишя crib силан Рассышкон <Ьсде|Еиц in Сети связи r/iriLL'iHi 1нич1кК11:я1111я icon T.irOll Сети гидан гзг | нее: I гч 1:11 н,::,|ч > i н ь.ч е,н<п:я i i ия Ведомственные и корпоративные сети связи для производственЕ1ых IL l UeHJHLIbllJJ.X нужд Сети связи для нужд управления. < КК I] К111Ы, 6е:3(11 KLL'l И К "ITI а охраны правопорядка Рис. 1.9. Состав взаимоувязанной сети связи Российской Федерации В ВСС Российской Федерации могут ire входить, т.е. не иметь цент ради- эовашгого управления, выделенные сети (сети ведомств, организаций и фирм, имеющих собственные оборудованные линии, например сеть связи па железнодорожном транспорте, па газопроводах, компьютерные сети бан- ков п др$, внутрипроизводственные и тегналогические сети (сети учреждений п организаций, например локальные вычисл ительн ые сети но управлению производственными процессами, телефонные сети абонентов учрежденчес- ких АТС п т_д.). Основные органы управления ВСС Российской Федерации Главный (национальный) цеш р управления (ГЦУ), региональные центры управле- ния (РЦУ) в выделенных зонах па территории одного или нескольких субъектов страны, а также узловые территориальные пункты управления (Т11У) и информационные исполнительные пункты (НИН). Распределе- ние потоков сообщений по заданным адресам осуществляется на узлах связи с помощью коммутационных устройств. Коммутация процесс создания последовательного соединения функциональных единиц для транспорти- ровки информации. В целом же задачу распределения информационных потоков выполняет система коммутации, состоящая из собственно сети, коммутационных станций и узлов коммутации (УК), системы подключе- ния пользователей и оконечных пунктов терминальных устройств. Наи- более важную роль в ней играют УК, обеспечивающие установление, под 3d
держание и ]}ии11(!ди।Kinin' соединений между терминалами, каждому из ко- торых присвоен адрес (номер). Ио способу распределения сообщений сети связи делятся на пекомму- тируемые и коммутируемые. В первом случае связь между абонентами осу- ществляют по постоянно закреп ленным каналам но принципу «каждым с каждым*, а ею втором — абоненты связываются между собой нс непосред- ственно, а через узлы коммутации Структурно сеть связи представляет со- бой совокупность оконечных (абонентских) устройств, каналов связи (ли- ний связи) и узлов коммутации. Задача оптимального о троения телекоммуникационных сетей являет ся одной из важнейших задач теории и техники связи. Задачу решают с по- moi цып теории массового обслужи пиния, теории твлетрафщка (от англ, traffic — информационная нагрузка сети связи, максимальные передавае- мые потоки информации, количество информации, поступающей через сеть связи; термин «трафик* соответствует т ермину «телефонная нагруз- ка**) и теории графов, В зависимости от скорости передачи информации отечественные кана- лы связи подразделяются на три вида: цифровая интеграл к пая сеть ЦИС-32; узкополосная цифровая сеть интегрального обслуживания ЦСИО-У (ISDN-N; от англ. ISDN Integrated Services Digital Network:, часто: 1DN Integrated Digital Networks)-, • широкополосная ц1[ф|НЕЕ!:1я (ctei шпггралыюпо обе. 1ужнн;н111я ]ICJ4O-1II (ISIW-B). В цифровые сети связи типа ISDN можно включать такие вилы связи и сетей: • ci ' гь m1] >еда ч 11 дан н ы X (Put krl Dala Nel uxnk PD.V): * сотовая связь; * служба обработки сообщений электронная почта (е-нмгТ); * всемирная сеть 11нтерпет. Ряд сетей связи могут функционировать как выделенные сети си свои м н оконечными терминалами, цифровыми каналами. Они могут быть включены в ЦСИО-У, если оконечные терминалы будут работать со скоростью несда- чи не выше 64 Кбит/с. Напомним, что как и телеграфные сети, ги ги передачи данных по скорости передачи разделяют на низкоскоростные - до 2006ит/с, среднескоростные 600 1200 бит/с и высокоскоростные 2.4 96,0 Кбит/с и более. В цифровой интегральной сети I (ИС-32 скорос ть передачи инфор- мации (hictubjijht 32 Кбит/с, а н сети ISDN-B — 155—630 Мбиг/с и бо.'кт. Сетевые цифровые технологии развивались до последнего времени па- раллельно для глобальных и локальных сетей. Технологии глобальных се- тей были направлены в основном на развитие цифровых телефонных сетей, используемых для передачи голоса. Технологии локальных сетей, напро- тив, использовались в основном для передачи данных. Прогресс в развитии средств связи и компьютерной техники н технологий неизбежно привел к переходу в развитых странах от общества индустриального к обществу и ндуст] шал ы । о- и и фор м a i и 1 оиному. Международ)1ый союз электросвязи (МСЭ), занимающийся стандартизацией телекоммуникационных систем и сетей, ввел новое для связи понятие — интеллектуальная сеть (ИС; 35
Intelligent Network - IN), crir.'iii4HTt!. i iiBiiiM irpni-n kikijm которой ян:1жтгя бы с- трое, эффективное и экономное предоставление информационных услуг массовому пользователю в любой момент времени, 1.2,3. Эталонная модель взаимодействия открытых систем Для того чтобы взаимодействовать, люди используют общение на ка- ком-либо языке, Если невозможно разговаривать друг с другом непосредст- венно, применяются вспомогательные средства для передачи сообщении. Одним из таких среде гв является система почтовой связи. В ее составе можно выделить определенные функциональные уровни, например уро- вень сбора и доставки писем из почтовых ящиков на ближайшие почтовые узлы связи и в обратном направлении, уровень сортировки писем в тран- зитных узлах и т.д. Принятые в почтовой связи всевозможные стандарты ПОЗВОЛЯЮТ Отправлять корреспонденцию практически из любой точки зем- ного шара и получать ее в любой точке. Аналогичная картина наблюдается и в области электронных коммуникаций, где рынок компьютеров, коммуни- кационного оборудования систем и сетей связи необычайно широк и пока не не везде стандартизован. Создание современных информационных систем невозможно без использования общих подходов при разработке, без унифи- кации характеристик и параметров их компонентов. Для эффективной реализации пропускной способности каналов переда- чи информации и коммутационных узлов сетей связи необходимо соблю- дение определенного набора стандартных правил, которые должны быть построены по принципу некоторой иерархии. Набор стандартных процедур взаимодействия п программных средств, обеспечивающих установление связи, переключение, прерывание связи при необходимости и т.н , в насто- ящее время в основном реализуется программно. Эти правила (стандарты) разрабатываются рядом международ! i ых организаций электросвязи. В основу многоуровневой архитектуры связи положена концепция эта- лонной модели взаимодействия открытых систем (ВОС; OSI — Open System Interconnection), обеспечивающая введение единых стандаproв на международном уровне для ннонь соэл^ваемых информационных сетей. Она описана стандартом [SO 7498. Эталонная модель взаимодействия откры- тых систем НОС разработана в начале 1980-х гг, Международной организа- цией по стандартизации (International Organization for Standardization - ISO — И CO) совместно с Международным союзом электросвязи Х.200. Модель ВОС как единый комплекс стандартов является основой для вза- имной совместимости оборудования и программ различных поставщиков. Эталонная модель ВОС ориентирована на выполнение таких функций: * представление данных в стандартной форме; * с г я между процессами информационного обмена и синхронизация их работы; управление информационно-вычислительными ресурсами; • контроль ошибок п сохранности данных; • управление базами данных и запоминающим н устройствами; • поддержка программ, обеспечивающих технологию передачи и обра- ботки данных; • тестирование и др. 36
и itaij]iiiL_(>Hit«t!« и&шьнн x<lu гагнанЕинг.) -fill 1.ВЭ гчхнанаге аннвоиэо — в :jOn внаюцзЕокитеа urovow нвнншгацз 77/7 'j»ff 1 ЦНЮдЬНЕИф (T 1!1Г111Ч]Л!Н1Г)| E Г1О0.ЭЫЗ H[<lllldOLI31IUjj. £? ii i4HC]-uiejQi 9 IjnEntTilHEIUlJt'.Xl] | L LIOHltL'KIldU (bwci 11 иган<к1д -00 -(г/ Ч)Г[ Hdll!9()(].\ XI'lll4li“ftlHlllll3lllA(|l 41X00 .ГиЗХСЧ]ГО113И 00(J Ж/ЗИОН IflJHHOlre.I.g '((Н I Н1ГЕНК1Л 0.1(Ш'ЧИН|ЦЦ-!]]!Н![Х[|| (IHlIlVo ltd.I.3110 IlHl'.I.IIOIX -ЗТГЙ ЛГ'ж.лх null.]->НЗРОИИ^ея ОТин я B3.lOKIi'H^.TjVO<lTI нхэо н нэиио -(>iviiE!i:n nil 1 [ ’ийнжиК xriiriiiTriitHil i3niA([) Vifd 1:11 K.i.i.dnsiilohihI iriv,).i..)i[,i I4C.I.A.LJM O.I.UXlJll 1КИЫ.Ы.) 11 111 I ITU I. И UM.I.(>(JH(lK!lll Hl1HOtll[l(lllA K]?p )(}j[ A.I.t11rl/nTLl..> nil XriElEI.il I -||'ОИ1ЧЯ l|1l!H!9O 1VO.L.”II1.> XH.lXdV XI4IJOHC 0y .> 4.I.HWS9.l.3HdV(>IS;EI!!i:il .1.Л.КПХ IV.1.I..11L3 X l<3.1.141 Lx.I.O 11 litLEEt’.L.I ‘AllO.I.OLMIIlWM AlVll 1'9 l.'EKi.I.I Kill A'lVdllEJd 31 < 131 "I I. CJ.L 1111111111.1.0 ХИН -i:(иге .u111,H:<i:i.'lli.: Mill iimuiic. i.i:.x.ja’I’.n111 ;i.).i.jj sriirn -i.:i>i'ii-:!= l-i:i hi jiii.iii.' -.1.11 J| 13l-O.E.ri[L.HJ.t] — H.lOJ'ONIIIIdlXi9(l!l(>J 3JJJ Il(>l<d.l..ll1J Ш 1.1, rill 31.1.(1 KIM.IIKIi'IlB 41,'ijll -ilhl) (И(III J SI ’ HilГ1Х. 1.1.0ИЗ IX I'Ll. HI ihl .1.0 Л KJ.I.H3OI 1.1.[I И It El'S VOW HO.I.E-: .|.1ЯШ1(»1.Ы1ГНС>Ъ'Л ;>ю<l<>.i_<>>i '0y khIiie^eIoVo.i lhI:khO 4J.O0 '9R3J4QO H<Lii Eiiiliiiivd()(|>nn пниНти- -E(d()OO([ll HHX[lt!(ldl1 ЧНЙН0<1л 1111111,11 IfHHll 'I.J.dlli J1 .I_j3\t< < 1ГЧ 0y О И EI.I..1I!iSl.'lIIVИElf!у I-kLeJ.I.C jl'l 11LVIE3I O.IOEHII E И >. XI. > 11 ll.lOl I III L!IV(1V .1 .l.lidlllKlM nil tHILdJ.HU ЯТГМ1ГГ II Jilllll ITS! (Id IVI El 11I til I 'Hdll'dJtHlOflMI^Oll 1ЛЦЛН Kli*V И И II -ilLvdoipiiH kiiHdTKirilyii.i.iJ и иЯ.1.1 hiIhUjii ‘mihiМ..Ю1/ I'llei mu9и Hirn j.<].i. — 00; siк id и 11 (> 111 i'e! If» Hl11 I 11 И 3131 I L.< H1Г E9 J1 lie'll I. >dl К1 L |i J11 HJ1H IE 71 ].Ч 111 [ LI l > 11Я И I.Mli'l'l ]3J liH jjH<liljjA И ii.ii.uiiiHiE-i'iirtHi tiHliiili.i.3 ilriHHirmjon Hittjiid i > 111 j к и к i'j-li1.i_.j1.'/h: L11 lnntIHBIO ЭИЖ) -j.iidEHHiy iiiiliri\(liH|nin Hiiirl/iiddii Kii'V VT/dilj ЕВМЭ&ЬЛ'ЁМф И (0y ) rtMJjjjWtaO SflSW -uiitijnouij — lhi:ks9j h.ij.i.3 >nrx jhi3.i.;)hJ xw iime'Isi.ijO xhsiIJ.i. w liiOw^ii.^ <ii4iinOn;J0 'd Пri.i.;')HO Я M W i i.i.; > 110 i ' > Iff) хйс Id 11 in И н1нМ.гЗ<11[ WOllKHlih.EOiaid bdirn.l..i SI HKKI.'d.LElSKltriLi'OLI J ННЯ.1.0|1Й1'(> WHllHtE , lxrivdll(|).l.nii’l I XI4HI93li'lO.'A II Х1ЧН -<П|“0ОЮ1Г fl IE И H Ei 140.1.0110 Hl4t4lll'HliJ3IH[[ll 11 Kill Adv -I A.I.OUHlJ IHAHII-I.I.diSlVtlEl.'l . JWMOH.I EElHIHELllIll.' HlEXOlllIIII 1'1 И ItK И I I JlldlVtlEI И l\l'l |Г[|П’|Х 11 ИНК 3 ^HOGOdOO inwnSkiiJ01i' xrEEEiEEt.i.oyTEEliiitd Livdj..'m;> xiHial.'iri.'xndii H.ioiidildii 4.i..hiij3k<}i\e:c)1[ « ri.I.HhOjLIe'HJO 14(10.1.1! L().l().l. KI.1!,' Гмч H 1111.1.1Г.1..К11." Lxri И И rV J'l.l.ritll(l(|) 11 NOHiXirO ‘.43ДО1ЭД03 lr>)iSip-O}Sot&U^ — LITJHiJ 10 £Ц1 IV — non -(1<1фн<п-(>1,г.11ини 11A.I--. dllhAll J inOEIIHlI.E.IXlllll II iKtlllOMndELOO XH Onh( 1.1. II IHlO.'lill Kill I I И1ГИ НЫдИЗ хКя1/ 0кЕ11.1..1и0Ъ'окн11кя OiiliitiiEiiiHhOiiJOOO ‘OHlOEdda OOHltxfelJ -IlH-Ollin IVird.lClill I — ]4;>IL0[^cld.l.lll1 Ehl 11 И1 П Г31L HI 111 1 ] I j 11.3 ,114.1 I'ldn.l.t) HElllLIH -AHinrir.lli Lr]1id.l.JII.> ll.I.i; — riliil.I.IHEd H 11.1.1'1(139.131 0lix3l4l4J lV(l>l()lll1lll J| -141X0.1.. 111.1 11(1.1. -I'ld3l.l.(l Hl HHJlIlHOyOd.L И0)|Ю1К(|ОЕ1.1.<>1>"1К|1.'Л L11I1.|X[[V I 1(10(11 L' .) '9.1.[!Я( 111.1.0hOITOWHSCfl |.,)зк(ж Kiid().ui3i lA’ixaj..iii.) .l.iheisiohlAsiekIi.'iiii ‘iiixa.i..)ii.i iir.i.i'ii 1м.1.0» iviniiiivdAi.I.'tijj
мпуронпения архитектура взанмОдействия AC имеет следующие функции уровней (рис. 1,10, б), т.е. следующие протоколы. Первый уровень физический, он o6eci 1ечивает интерфейс с физической средой (физическую среду часто называют нудездо уровнем). Реализуется управление кпнл.тпм сияди, что своди н я <. гн ни. :к. iKi'iriiiiii.' и 01 \vio,:riiiiii: н формированию сигналов, представляющих передаваемые сообщения и (или) данные. На физическом уровне биты информации или данных пе- редают по физическим каналам связи, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара, оптический кабель, радиоканал или цифровой канал связи. Этот уровень определяет характеристики физических средств перес- дачи, такие как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое со- иротиилсиие, потери и т.п. ] Iа фишпеском уровне налаются характеристи- ки сигналов электросвязи электрических и оптических, такие как уровни сигналов, тип кодирования, скорость передачи и др. Па этом же уровне стандартизуются собственно физические интерфейсы — в частности, гипы разъемов и назначение каждого контакта. Второй (канальный) уровень — формирование пакетов данных (кедров). Он обеспечивает надежную передачу сообщений через физический канал, организуемый на первом уровне. Для обеспечения надежности использу- ются средства контроля принимаемых сообщений, позволяющие выявлять ошибки в этих сообщениях. Уровень управления каналом через недоста- точно надежный физический канал обеспечивает передачу сообщений с не- IIOXfi.UIMIli'l ДОС OISl'pilOC I ЫН. Kill Li I Ml LUI ) |li MICH Ь l >б(Т I It'1 HIUH'I Cl |Ц'.1!1 IV общений и виде временных блоков данных — кедров (frame) — фреймов через физический канал. Основное назначение этого уровня прием и пе- редача кадров в сеть. Он физически адресует передаваемые сообщения, обеспечивая правильность щ-пользования физического к.икьта, кымн-усянг неисправности и ошибки передачи, синхронизации кадров и управления потоками сообщений. Третий (сетевой) уровень — сегментирование и объединение блоков. Он обеспечивает организацию диалога между абонентами сети, т.е, управление очередностью передачи данных, их приоритетом, процедурой восстановле- ния и т.д. Четвертый (транспортный)уровень создает снизь между нижней и верх- ней группами уровней. Транспорт! и.|й уровень обеспечивает сквозную пере- дачу данных между абонентами сети с заданным качеством обслуживания, которое является составным параметром, определяющим характеристики взаимодействия абонентов: максимальное время установления соединения, пропускная способность, время задержки сигнала, вероятность ошибки при передано сообщений и т.н. Он реализует процедуры и протоколы соедине- ния пользователей через базовую (магистральную) сеть Ла этом уровне возможны стандартное сопряжение различных систем с сетью и организа- ция обмена сообщениями между сетью и узлами или системами сети. Уро- вень создает связь между нижней и верхней группами уровней: обеспечива- ет сквозной обмен информацией между системами. Питый (сеансовый) уровень обеспечивает организацию сеансов связи па период взаимодействия сетевых узлов. На этом уровне по запросам в сети создаются порты (Port интерфейс для подключения линий приема-пере- 38
дичи данных К сетевому устройс тву) для прием» pi i[<-|л..у1<’чи сообщений и организуются соединения — логические каналы. Шестой (представительный) уровень согласует форму представления информации (изображение, распечатка, строка символов и т.д.). Предста- вительный уровень управляет и преобразует синтаксис блоков данных, ко- торыми обмениваются оконечные пользователи. Сюда включаются коды, форматы данных, сжатие информации (сокращение избыточности), ма- шинные языки и т.н. CcrJfbHON уровень — прикладной. Его главная задача — предоставить уже принятую ин|[ю|)мацию. С этим обычно riipau.'iarTtsi системное.! и нользона- тельское прикладное программное обеспечение, I Трикладной уровень обес- печивает интерфейс с прикладным процессом и служит для выполнения всех информационно-вычислительных процессов, предоставляемых поль- зователю через транспортную сеть: электронная почта, телетекст, факс, па- кетная передача речи и др. Четыре нижних уровня (физический, канальный, сетевой и транспорт- ный) предоставляют сетевые услуги, три верхних (сеансовый, представи- тельный и прикладной) — услуги самим оконечным пользователям. Как правило, соединение между АТС разных типов сетей осуществляется на нижиих уровнях. Правила взаимодействия объектов одного уровня, называемые протоко- лами. определяют логическое взаимодействие объектов. В эталонной моде- ли ВОС принята концепция, в соответствии с которой взаимодействие объ- ектов одного уровня обеспечивается предоставлением ему услу| смежным нижним уровнем. Правила взаимодействия объектов смежных уровней в одной системе сети, а также межсетевого обмена информацией называют интерфейсами ВОС, 1.2. 'к Системы СняЗИ Напомним, что системы связи предназначены для передачи сообщений из одной точки пространства в другую через канал связи. При этом канал Связи должен обладать Гл I ределен ны.ми г ни истцами — н частности, пропус- кать зад;..ую полосу частот, иметь одну или несколько несущих и т.д, Си- стемы связи включают в себя все основные устройства, применяемые в большинстве радиотехнических систем передачи информации. В теории связи принято следующее определение: системой сеязи называется сово- купность технических средств для передачи сообщений от источника к по- требителю. По виду передаваемых сообщений различают следующие системы: передачи речи (телефония); • передачи данных; • радиовещания; передачи подвижных изображений (телевидение); • передачи текста (телеграфия); • передачи неподвижных изображений, рисунков и текста (фототеле- графия). По назначении телефонные, радиовещательные и телевизионные систе- мы делят па вещательные, отличающиеся высокой степенью качества нос- 39
ЛрйЛЗРедения Сообщении, И г1рофесгиана:1Ы1ые, имеющие специальное при- менение (Служебная связь, промышленное телевидение И Т,Д.), I liibi i-Mi’i ’I :с ши (prillк i;iii( <i ,():|ф(|)с,:,'1 и иных и скорое гиых ко'.: : .п; ir- ров 11pintc.ю к необходимости быстрого развития систем передачи данных, ।uSiTIИ" ;Iь;। ।:!:li х ;;i3m: 11 информацией м: ж;.'. iii;i iii; \\ ir. 11.111,1м? среде i l.i- ми и обьекглин автоматизированных пк гем управления н измерения. Этот вид связи но сравнению с дрхг ими отличается биле? высокими трсп<»1*<1 пн- ями к СКОрОСги и верности nt'jHyui'iи информации, Достаточно УСЛОВНО все существующие системы /ыекгросвяин можно раз- делить из дни оо.1 ыи их к.нкч a: ciiMii.K'KCHLie и дуплекс ниц1 системы СаяЭН, Под симплексной сйлзыгг (от лиг. simplex — одни; связь «иди н-ко-нс рм*-) понимают снизь между двумя пунктами, при кото]Н)Г! в каждом из них пере- дача и прием сообщении щ'Дупея поочередно плодной несущей частоте. Часто симплексную связь используют для передачи информации только водном ii;ni]Kin.iieHnii, например радиовещание, геле виден tn1, оповещение п т.д, Дуплексная свяли (от лиг. duplex — двойной; связь 4один-на-одинз-) - двусторонняя связь между двумя пунктами, при которой передача и прием сообщений осуществляются одновременно па разных несущих частотах (рис. 1,11). Рис. 1.11 Структурная схема организации дуплексной связи Сейчас применяют разновидность симплексной электросвязи полу- дуплексную (half-duplex) связь, или двухчастотный симплекс, когда система связи обеспечивает поочередно передачу и прием на двух разных несущих частотах с использованием ретрансляторов (си лат. translator — перенос- чик) - устройств, используемых как промежуточный ириемо-передающий пункт линии связи. По числу используемых каналов различают одноканальные и многока- нальные системы связи. Об однаканальпых системах связи уже говорилось выше. Система связи называется .многокана.чыюи, если она обеспечивает переда- чу нескольких сообщений по одному каналу. Основная задача многоканаль- ных систем связи одновременная передача сообщений от многих источни- ков, те. увеличение пропускной способности. Повышение эффективности использования канала связи достигается применением разных методов уп- лотнения каналов, за счет сокращения избыточности сообщений и органи- зации так называемого многоканального и мпагоетанцнопного (миожест- венного) доступа абонентов. Для увеличения пропускной способности большинства систем связи применяют временное и частотное уплотнение сигналов (рис. 1.12). 40
К ян । сине Модуляторы Катите я Рис. 1.12. Структурные схемы модуляторов систем связи с уплотнением; а — временным; d - частотным Амплитудная» частотная и фазовая модуляция позволяет строить мно- гоканальные системы с частотным уплотнением (разделением) каналов (ЧРК), обусловленным использованием несущих колебаний с различными частотами. Достоинствами системы с ЧРК являются сравнительная про- стота и возможность передачи широкополосных сообщений с достаточно большой шириной полосы, например телевизионных. Импульсная модуляция даст возможность разрабатывать многоканаль- ные системы связи с временным уплотнением каналов (ВРК), обладающие заметными преимуществами перед системами связи с ЧРК. К этим досто- инствам относятся высокая точность передачи сигналов и возможность пе- редавать совместно сообщения ряда каналов водном частотном диапазоне, поскольку сообщению каждого канала будет соответствовать своя последо- вательность импульсов. При временном уплотнении, благодаря тому что сигналы передают не непрерывно, а только их отсчетами (выборками) в очень короткие времен- ные интервалы, на одной несущей частоте можно передавать ряд различ- ных сигналов. Для этого разные сигналы Г/.,(0,.... £(,(£), отражающие группу из п передаваемых сообщений, подают на аналоговый мультиплек- сор (селектор пли аналоговый коммутатор) (рис. 1.12, н). Суммарные сиг- налы аналогового мультиплексора с помощью импульсного модуля- тора и задающего генератора переносят на частоту fn и через усилитель мощности подводят к передающей антенне. Частотное уплотнение сигналов осуществляют предварительно допол- нительной модуляцией на поднесущих частотах — fvf„ — Д (рис. 1.12, б). Поднесущие частоты значительно превышают частоту передаваемого сиг- нала, по во много раз меньше несущей частоты. При частотном уплотнении передаваемые сигналы предварительно поступают на модуляторы поднесу- щих частот, где осуществляется требуемая модуляция. В большинстве случа- ев разделения каналов каждому источнику сообщения выделяется специ- альный сигнал, называемый канальным. Промоделированные сообщениями канальные сигналы объединяются, в результате чего образуется групповой сигнал (ГС). Необходимые элементы модуляторов поднесущих частот - полосовые фильтры (ла рис. 1.12, б не показаны), настроенные на л од несу- щи с частоты и подавляющие спектральные составляющие соседних капа- 41
at ИИГНСКлЬсчакС 1ЧНЛХ0НЭ ДО№ГО1ГННВ шгвнеи вняхэ KcudAisiAilu tiEiiiEJiinidii^ 'ft'i '^il ,K3II.E.!ltly0 'linin|l()<hl II LX EH'llEldLXEII I .) Id, I.L.i Ж 11^.1.331 LI АЗЕ) LHIHJJJiUll.I.MiJI.E-! IL НИН -leej.u.'iiM xritit>?<Анs: .ihiiiiilih-ihiJejii.icIel 1 cL-.ихik1iiez[£ -iiiij.ndyu и lhle.ilej иияЗЗниЙ -1ЯЭЕ№ и иинЭТПОООЗ XHMhHlfOed Hli^JBfl0fBdQO3iliJ .,ечлчГе!и1 T3II3 W JlcxAgfl l/Lt>ll -JU XI1LX.3.I.JI I J Х1Ч1НН1И11И311111Л1Х IXdJI.JL.J.l, LI KlW.I.E-llljJ И 111 Kill l(X)ih) dl<l IX.IIIIELIIAhLiII xriu Siu 4.[.Kir;it'hili u Hii.ru.inj i)ie>ijjjiUi1.i..4i)i.(-: u.e.i-ilxiijjjkIiijoh онн;зя.1.;)1Л'к1;юи^н Ajxj .i.ihKirtHiKtиi in ижиннлнь nxnuiin.Kki u.i.JiiiukoluWsj jrilt Зйьи.нп.-ош:iiq XUMhOJ. X ГЗ Ild.L 1..ЧП11?1X JJ X l'jd(].l.<3U,3l I SI LHII/ПИ.I lQ ( 14 L4IVlULlE>lfl.'Hll -jo) I4(kuil« ГI И IГЕ1Н31C j 11 dEEEE.lllldiLl I.A Hl. j< JI l'I.r l{ l/.J t?l 1 3W3X3 H(1IIe[/.I.?I Atlj.j Fij-f I Jud uh ,:n и i u.: jI'.kIii ни nd л ч :-.ч o.i.ili i?.' i.?u f /^'i - ит/и/прош ’ii'.inil .1.0 -JW) Hrmtotfirfyitm- -lit I LIIV.IXJ HEUkIA.I.IIAiI.I.J If Г U H. 311EI К [ I l.v 'И1-ЧТН JOtllAI JI,C I41YJ.I.JHJ Л141|||[()1.тну ниu;)linickij xi'inu и Х1'|||.).'Г::С1,л"x:ч. = ।:-i;|j.।:. .n xriiuii:!' x ч :-il.i i.di'i.. ,(().ч '!Hi:.i!iiii'i xi Eiiiniuf:n« 11.'. i.i. ii n. 1..1 jiki лих к 1111 н ir jj j lull.: il n 11Й111 <je к > j im i х.Уе.ое j , 114 н i <i к Lj (J. i.< и nl А к 1.111 tinKii -0С|1ЯЭ1.'€ ЕНП JilhEllliJIlM IIKLI.JtU <H41llf)HI<IJ] Q U ELLIE. IIV. IJ J 11. HIM jl > h H П jOH 11 11. Lilli -НЗСгеИ СИ IHQlOCx) ЁИЭ13ИЭ КОЕЭП у 'HOirliu.iи .1 ri[[ii.i.nir.,iiiHil.i.,,i[[ HJ.i.onr.iE:i:()i i.ind Xri[l(].].(3H Ehl И1.1Х.Ц' LiOMHII.I.KllJ Xl4lllldLI.I..}JAJ3jH ХИ FT SUhldl.'" -e!ii ji i.i.miLHH ufiFH^Otl.i.lE'Sii'f; НЭ1ЭИЗ d'U jOHH30030 ' hi < L »•: 11.1 -0N1B yOWW3f X^ir^l.^lll I n H.3.L.OI Id U!nl.l..K3<lll,)r[l I'lHJ.'OH XI1L43.L3H3 (j '311.4 -.'-iii,ir. ii:'.4-iiiiiii. ..<ii.i ii .ii4iiix.!':i:n .:u :.u. ’. C.' iriuii.i-id.i i.i : iiiijii ; ал. .зн ) '|]11.1..111!1<1.1..1Е1(||[ Я К.1.|.(И11ЬЛИНЛ A'llIlJ.I.HIT llr’lllrlh E!l.rl!U.I И.! I1.L11II -d^MNiCo ЗГИЯ н W ‘°f f(3lnX33ii 11<ш1ннз;з(] ilu iiiiIeicjiell.cxjikI '(Lo.i.idi. A’l.'OLX uoiilhiii -J() LUI IdJ.I.Oirl.'OII HIVH11|A33|0.f'<]|[ J 1<11Г|111.ЕИЗ 3MhllUU(nllll.Al.'(>IXI]Elll LXJ.I.nj' LIEU.'
[ [реобраЗГ) es.i 1111 ir ilk.1 цт] ] ii ч i!<’ Ki ин г 11 г 11 ;li ; 1 в ;♦ ну к<) в ы г к<). i ( :6u f г t1 я 11 ] юн u i« )Д1 1 r- ся электродинамическим громкоговорителем телефона. Одним из важных звеньев любой системы связи является источник со- общений, который может быть аналоговым или дискретным. Выход алало- гинпго источника может иметь любое значение из пеирерыиного диапазона амплитуд. При использовании цифровой (дискретной) связи источники аналоговой информации преобразуются в источники цифровой информа- ции ши’рг.щ ГВОМ дискрети.нщии, кнангГннмшия И оцифровки. Часто исходное сообщение у = не является электрическим, может иметь любую физическую природу (изображение, звуковое колебание н т.н.), и поэтому его необходимо преобразовать в электрический (первичный) сш - h;l'i y(f.) г iio\witihio электрофизического нреибра:н жителя сигнала (ЭФ1IC), проще - преобразователя сигнала, который часто совмещают с кодирую- щим устройством кодером. Источником сообщения при телефонной пе- редаче является говорящий, при телевизионной - передаваемое изображе- ние и т.д. При передаче речи и музыки преобразователем сигнала и кодером служит микрофон; при передаче изображения — передающие телевизион- ные i рубки или специальные матрицы. Если рас сматривать телефонный про водной канал связи, то в нем линия связи, по которой передается сооб- щение, — телефонный провод. Частьтрубки, которую мы подносим к уху, выполняет роль декодирующего устройства (декодера) и преобразователя сигнала (электрические сигналы снова преобразуются в звуки). Сообщение поступает В ^принимающее ye ipoiitTHi»» — ухо человек» пл другом конце провода. Канал включает в себя телефонные аппараты (устройства), прово- да (предметы) н аппаратуру АТС (устройства). В последнее время в струк- турных (и принципиальных) схемах радиоканала источник сообщения II 111 :i-C I.': J. LiOHi | ; ,'| , fill Щ. Ц| об’Ы Ц1ПЯ1ОТ Н 11 ЦП I .1111 ПО. 11.1 11,1 IИ'l I \Ц И UrfUtVi.t:/- ком первичных сообщений, а кодер включают отдельно. Как уже отмечалось, передаваемый (первичный) сигнал является низко- частотным, Однако термин «низкочастотный* здесь достаточно условен, в частности телевизионный сигнал имеет спектр с полосой порядка 0—6 МГц Понтону в ряде случаев первичный сигнал непосредственно передают по линии связи, Так поступают, например, л обычной городской телефонной сети. ^L'iji передачи пи бпльпин? расстояния (с помощью кабеля, оптическо- го волокна или радиоканала) первичный сигнал преобразуют в высокочас- тотный. Необходимым условием преобразования сообщения в электрический it гнил является обратимость иреобрг1;яжг1ния. В ЭТОМ Случае по выходному сигналу можно восстановить входной первичный сигнал, г.е. получить нею информацию, содержащуюся в переданном сообщении. Передающее устройство включает в себя кроме преобразователя сигнала передатчик (содержащий модулятор, генератор несущей частоты и усили- тель мощности) н передающую антенну. Для передачи сообщения отража- ющий его сигнал необходимо предварительно ввести в несущее высокочас- тотное колебание. Это осуществляется в модуляторе передатчика. Несущее колебание вырабатывается генератором несущей частоты, К последние го- ды в качестве генераторов несущих частот используют синтезаторы час- тот. Операторы формируют когерентное несущее колебание, имеющее 43
L'CIIJIIJ-^¥ - f d.JlUAJdll — » IJ.'I’El.lli.) И I ИНГЛ ,<<1и irXUOIV — <J !lLHlLBL'Al.r<JJ4 lid 11 edud-tiu _K J11 .T[l. 111 — r> :hhIibl’.<1'oh goiiVKiuгниn A33j1kkIu ?i нкиссЬ'ен!' эганнэнжГа и лчшоьэе^ ft'} '.»\1 -OSOIfOJ 'B0OH и ir.i.d h.liIoe'oel и h!h£i<ij0 Д1чяО00ТГО.1 fidddh ХИЯ.10!Л f И BMOIOII OJOH -lllAll'WIM HiHlldlj'j+iOXI.HLl I 0J.»?J.4l.fAHJ<l Я Il 3.1.1 НАЯ!!(1пО ИЛАЯ£ КС»Ь'1ЯО[Г0Ь 11ЛАЯ£ НИИ -E'Ij'KH lldll HldlJIlli'jCli'OLM ll0lll,rA.I.]1L‘’IIWW 111[1[|[Н<1|| .l.d.<E!4l.lHI.)H JMCSllI.L Rl.'Ollndjj X:!:| I .:-IM:il 1.Ч I :: iIXI'IH'I II I .11 : X I' 11 11 LUKI 11 .n I I И I Il 11 IHH 1,)l ().' <1.1 Illi d> HI '.'..I -III.'Ll IX!' О.ЧЯ I,().!. K0.I0B HilEWH BlllkflllOOO.) (>.1()11МНШ!1|',м1й]| АНОЛЕ!!! Oil J1I|1|HIiAC|.'<1HI niml.-'X.i.nil'll we! inljj -Jiit'l) КиПИГЙИЖ iiElul/X.i.nirn we! 0ШПЮЭД -ii'i ijj1uA.>iiu ;»(ш.1.о.1.,>1гн()ж>л'111 я (iHrrii.ni;> hhuIjhhaiIh irXVojv) инn.iliiyiHiJ o.iow -dHUE.'lj'dtldll Ю1 H jl'/UHE KLHIO.HHJ j ЕХ1ЯНЕ1011|Ч1.1.3О(|||,>1«1 11 I'JI'I.IOExIll J,11.'<tyHГ| 1 II1 H.’Eil 1.1 IIJOJ1l/l!(l ХИ ELEL1 kIo.I..11 Hl .1.0 11 14 Hl.'lHJOH j ‘.I.O.I.;)T!h I I0f l?l IВ Hl' Н.1.ИТ!|1 I JI l!K(l hi 0.1. ‘.LOUBb dOJ.C&>.LMH3 ИВИОБЧКОНЭИ Hi.'h ri.i.o.iorn ndlnA.nni (hki.irddiiii.i mj.Ch -liexI i..e,)(1,)ii hi г । jsi i.>iiril.i .’o:lи i\’::i:1 i:и:<i i !i rs.j.i chi-si ml i.nxi.iI u ;ionii.i i.iih KJ.I.OEEihXli'fH 014 [lll.l.OJl 'linEElJQ&IWI Sl4H.L(lLl.JI1EiO.1[<E.)l'll-l Я (KHHdlLKJIXId) 141,'E'II.IH.l AI4IJ.I.O.I.JE:h<rit:illl ill‘1 lAdl'HLd.'jdoil 4.1.1 I.E.ExhliJtl II J.llil.'OIIHHI I'l.H I I.JI'1, 11, :! I [ A I edo.l -rd.hi-и и nki i.r..'d.'oiv .Hi'i.i .iii.il.' io i. i.-itini.i Loiru ).:.?iiie1.'.il.' j (r iii.'oeiohI.'ex!) KHIIE'y jlJ'OM O.JDlHAJdll lllld.HHVIxllIII XHIEH JU JLtLH Я dEIEIdl IHHHh.S i)Oli;aE!!3!d.'dtL'l]l -i.l.dirtl -НЭИПВО (d&V<W — Off.TJHOd.L^X ^dtiHHAdHVoM ii)do.LKj,'Alroix lki1o!hili init:r[ly(j <!1ЯН5|Ау II ]1ЯЕ!НЯ ]411ILH)IIKII 1Нн1|1.1.ОЛ LtH 'dlllllird.I.J Ol lOlEl.'OIL JIIII!SQ$[roi3 ЗОН -.;i''i<i:hii '.'.'1'iiiv iiSliiuird.i..) /oi.hii, : i n i-: :-i I in:’: ;г.',Г:н\ i: и; hi oiKi.irril hhijei - .A i.“i-z j..£> !n nIiVmtlot|)n IE diiiiVisdisi i hcIii hhIiHu'aI'Lhx dHHHhVnf ГИНЭТТО OHgijdoti MB.l i-ijisijjKh!^ 'VV MHWatfBMy ji™7JWj/.HmpuJ.i.oirsii‘is:Hii и пллл/нгп.> m'Hihnfioui» л :.ii.A)ii.: о niiii'ti.i:. ii'i .hjj i.o.i.ji'i.<i'iojihh .loiiiursiodui л!'i:[(,7 4 ; [ Hid) i 01.:,:i. -<H1l.'rcl 'IJ.-JUlLEjO Я 'iHLEEAlllCJiEOJ O.ldlllOl ГЖГ(к>Ш.41 HZI.l'H.HI .1 O.EOHhl lUlli)l I ril.lJldll.'l ЩЭИТгеЙЭио Aii.i..)dliiA.) on hii.e.iikialh iiHliHi.'Al/un j.Hjlii]d|j И J.l.i)rsil4f!iril 'KI I I Id'll ЮОО.) O.IOLXillfEIEd.'iXLlII А ПОЛНЯ HIE KD.L.OI KlliHVKH KJ1 HBO^Il'Oll 0.1 -ОТПЛЭЭН ffOdl.SWBdVII 0Мчirozi/idii lurw unl.'o о.ники.ол o.E.iLi/iirK^^d i? 'ЭЗЭТюДц Amili'llll 0.1011 HLE .1.011f?l dIAEKII И OIL.I.JIIOEE.I O.I.E-! .I.LHAH'I I/O 11.111 BfflJIJOd.l^A 0l4IIIV0HdlT 01F> LBIIIIKO.I.J|}II OMHI/O.LJHII ИНЙКЛеЕя O.IOiri irj.I.H irl' dull 4Mul.I. II ]1l1IITrOdiri]3l XII IH:E:<[1 К1Г1ГЕ1ПГ111ГН LH.I.;)(]II.J..H!h у |Я<1.1.Л\!н1нЕ1 i)l'HI4l. ]1(jr.l..l
ih.imii тиками r ;:i'. к d morn i ; ,ii<i высоких члени (iin '"Kri1 колебание), которые модулируются мускулами губ и полости рта (модули- рующий сигнал), делающими не более 10 движений в 1 с. Строение рта та- ково, что человек нс может мускулами губ не1нн’|юдг1нгнно надавать звуко- вые колебания с частотами выше 10 Гц I Толожим, что передаваемое сообщение отражено непрерывным модули- рующим сигналом (см. рис. 1.14, б), представляющим собой непрерывную функцию времени e(t). В качестве несущего колебания в связи практичес- ки всегда используют высокосгабильный высокочастотный гармонический сигнал (см. рис. 1.14, в) uB(t) ~ t/„cos(“/ + ср,,) = 17][cosiy(t)I (11) где бг„ — амплитуда (максимальная высота синусоиды) в отсутствие моду- ляции (амп. 1итуда несущего колебания); угловая (круговая) частота; Фо — начальная фаза; ip(f) = сицГ + — полная (текущая или мгновенная) фаза. Круговая частота <в9, период колебаний Гс и циклическая частота /, = - 1/7^ связаны между собой соотношением “й “ 2*/Ти ~ 2п/,. При амплитудной модуляции огибающая амллктудно-модулированно- । о ci i гид. 1.1 (АМ-гигна. i;-i ) i' (.) сонпа uit-i но форм;- i моду, шр ннцнм мн це- лом (рис. 1.14, г). I (сотому выражение (1.J) примет вид ыам(0 ” I4(0cos(©ot+ <РВ) ” (f-\, + + Фо)- Здесь — безразмерный коэффициент пропорциональности, такой что । iCri. 1:1 f' ( i С- I\':n. учд ihx:ti;i ось, nt ре, .: н пр ;цу мо. г. пропан пых электромагнит пых колебаний (радиосигналов) осуществляются с помо- щью антенн. Полученный на выходе модулятора передающего устройства р;:„ .ног. и- а. । \ ( и. ни!;к1г(з с . сн. ш г. ic .мои и ос ти до :н об хи и:moi о . pi 1 пня, поступает в передающую антенну и излучается в Окружающую среду (в ли- нию связи). Вы со коч астотные си гналы, улэвл н вэемые приемной антен ной, посту iтают в приемник, структура которого является зеркальным отражением структуры передатчика сигнал проходит через блоки, осуществляющие преобразо- вания, обратные по отношению к тем, что проводились в передатчике. При- емная антенна улавливает малую долю энергии, излученную передающей антенной. Поэтому принятые антенной модулированные колебания после отфильтровывания их с помощью селективных (избирательных) цепей от помех и chiill'ioh других радиостанций (цепи фильтрации на рису и Kt? для упрощения не показаны) подают на усилитель высокой частоты (УВЧ), обычно являющийся малошумящим усилителем. УВЧ, помимо усиления, также селектирует (выделяет) полезный сигнал из совокупности многих радиосигналов и помех, од поврем..о поступающих па приемную антенну. На всех этапах прохождения сигнала, несущего информацию от источ- ника к приемнику, на сигнал воздействуют помехи (шумы). Пусть требует- ся передать сообщением, которое преобразуется преобразователем сигнала в электрическое колебание!/(/), а па выходе передающего устройства при- нимает вид сигнала и(£), В процессе передачи сигнал u(t) практически все- 45
гда искажается, поскольку на нею наклады на юте я помехи ?(/). В результа- те воздействия помех объем информации, поступающей к приемнику, уменьшается. В частности, при передаче речи в результате воздействия по- мех кроме переданного слова сигнал w(i) содержит шум, который может сделать слово неразборчивым. Приемное устройство обрабатывает приня- тое колебание z(f) = и(Т) - r(t), представляющее собой сумму пришедшего искаженного сигнала и(£) и помехи г(г), и восстанавливает по нему после преобразования и детектирования из сигнала y(t) сообщение Л которое с некоторой погрешностью отображает переданное сообщение 5. Другими словами, приемник должен па основе анализа колебания z(t) определить, какое из возможных сообщений передавалось. Следует помнить, ЧТО В системах СВЯЗИ С помощью пгрглающих ан кин из выходных колебаний передатчика формируется электромагнитная вол- на пространственно-временной сигнал и(£, г), который зависит нс только от времени г, по и m многих пространственных координат точки приема г = г(,г, у, ?). Полезный пространственно-временной сигнал, но уже совме- стно с помехами z(t, г) = u(t, г) + л(£, г) создается в месте приема (на входе приемного устройства). Обычно он сначала посредством приемной антен- ны превращается в чисто временной сигнал 2(7), который в дальнейшем подвергается уже временнбй обработке. Вопросы формирования и обработ- ки пространственно-временных сигналов в настоящей книге не рассматри- ваются, т.е, в дальнейшем будем считать, что устройства преобразования «временной сигнал — электромагнитное ijo.'jcs- на передаче it ^электромаг- нитное поле — временной сигнала на приеме включены внутри заданной линии связи. Эти вопросы рассматриваются в специальных дисциплинах. Усиление радиосигналов осуществляется и в последующих каскадах Приемника. При этом непосредственное усиление Сигнала иСнОльЗуСтСя крайне редко. Дело в том, что при переходе на прием другой станции требу- ется перестраивать избирательный ус ill отель, сохраняя высокую частот- ную селекцию, т.е. выделять полезный сигнал из других сигналов и помех. Эта проблема становится чрезвычайно сложной, когда требуется большое усиление и, следовательно, применение нескольких усилительных каска- дов. Задача существенно упрощается, если в приемнике используется пре- об])азона частоты, в kotO]Wim разные негу тис частоты сигналов, посту- пающих на вход его смесителя, преобразуются (точнее, переносятся) с помощью вспомогательного многочастотного генератора (гетеродина) в сигналы с одинаковой, более низкой несущей частотой /пч, называемой промежуточной. На ныхпле преобразователя частоты включают фильтр, который выделяет полезный сигнал. При птом дальнейшее усиление сигна- лов будет происходить на одной част( )те без перестройки схем в усилителе промежуточной частоты (VI14), который производит основное усиление в приемнике и улучшает селекцию по частоте полезного сигнала. Такой приемник называется супергетеродинным. Детектор (от лат. detectio — обнаруживать, выделять), или демодуля- тор, осуществляет процесс, обратный модуляции, — выделяет из принято- го, усиленного и преобразованного высокочастотного модулированного ко- лебания передаваемый сигнал. Основная задача детектирования — г го возможности полное восстановление информации, содержащейся в моду- ле
лицующем (тнттле (искаженном при ।><?]]*VL<3чС ПОМЕХОЙ)y(t), ПОСТуЛИВШеМ € преобразователя частоты. I [оэтому главное требование к детектору — тач- ное воспроизведение формы передаваемого сигнала, чтобы он поступал к получателю неискаженным. Получатель сообщений приемника преобразует низкочастотный элект- рический сигнал детектора в форму, удобную для получателя, Как правило, источник пфвичных сообщений и оконечное устройство в структурную схему системы электросвязи не включают. Степень закрытости сообщения. В последние годы даже в аналоговых системах связи применяют кодирование и шифрование сообщений. Для этого в схемы передатчика и приемника сообщений включают кодер (про- стейший — АЦП), a is окот"!ши' устройство приемника — декодер,устанав- ливая их соответствен но перед модулятором и после детектора. С помощью такого вида кодирования и модуляции источник сообщений согласуют с каналам связи. Часто кодирование применяют и для обеспечения секретности (закры- тости) передаваемого сообщения, т.е. его правильного понимания только тем получателем, которому оно адресовано. Такое требование обязательно, например, в военном деле: противник не должен перехватить и рассекре- тить передаваемую информацию. Обычно требуется закрывать информа- цию экономического характера, чтобы обезопасить себя от конкурентов. 11ри передаче банковской информации также надо обеспечить ее конфиденци- альность. CcEcptrrtHH'Tii передаваем о 10 сообщения обеспечивают не только кодированием, но и шифрованием, которое используется для обеспечения секретности связи, предотвращает понимание сообщения несанкциониро- ванным пользователем и введение в систему ложных сообщений. Шифро- нлнне обеспечивает более сложный способ засекречивания сообщения со- гласно определенному алгоритму и ключу. К признакам аналоговых каналов связи относятся следующие. Во-пер- вых, большинство каналов можно считать линейнылш, Во-вторых, на выхо- де канала даже в отсутствие полезного сигнала всегда имеются помехи. В-третьих, сигнал при передаче но каналу претерпевает задержку но време- ни и затухание по уровню. И наконец, в реальном аналоговом канале всегда имеют место искажения сигнала, обусловленные jHicaHepiiieiirrHO.vt харак- теристик канала. Цифровые (дискретные) системы электросвязи (ЦСС, от англ, digital communication system — DCS). Вплоть до середины 1960-х гг. (в России — до сереДИНЫ 1970-х гг.) практически hit су|цеетиован1шн' c ut темы связи были аналоговыми. До этого цифровых систем связи практически не существо- вало, несмотря на то что импульсно-кодовая модуляция (И КМ, от англ, pulse code modulation — PCM) была известна с 1938 г. (изобрел И КМ француз- ский инженер Л. Ривс), Первое упоминание с разработанной фирмой -*Белл> реальной дискретной системе связи с ИКМ появилось в 1947 г. Иод дискретной системой связи понимают систему, в которой и переда- ваемый, и принимаемый сигналы являются последовательностями дис- кретных символов. Типичным примером такой системы является телегра- фия, в которой ii сообщение, и сигнал являются последовательностями точек, тире и промежутков между ними. Импульсные методы модуляции 47
интенсивно развивались c начала 19^0- x it, в связи с развитием радиолока- ции, ОДНАКО НИМ НЕ! ПЯХОДПЛа широкого практическом! 311 j 11М С’И « ПIМ Я ВВИДУ громоздкие: ТИ ЦП [|>] ЮНОГО оборудования вплоть до ион плен ИЯ и 1959 Г- КОМ" ньютеров htojhho поколения. Чаще ВСеГО Кодирование ЭДеСЬ СВОДИТСЯ к записи ночи1]);! уровня в дво- ичной г не геме 1111-'.'I:' 1111 и. । .г. is ” is 4,ii- iipn.xit'Hi'iiiO' L1 КМ днс;|п г; -.т - зпн- ' Н1111И :1 пр: :п ! I: Г1 _ Ill’ll;’.. l.l 11< ”). ’. Г . |?1 I Я г. I! 11 L. I,' ?д:: 31,1 X IV 6l 111.11 J 111 < 1 и «sOe>, ИЛИ ДВОИЧНЫМ КОДОМ, В дальней!кем будем рассматривать в основ- ном цифровые системы, в которых непрерывное сообщение npcEi6p;i3on;iE[o В последовательность кодовых комбинвri.un соет; пене иных из двоичных симнолои. В цифровых системах передачи информации энергия полезного гнгнала г пуки-пи по н< : )ывно (как при riiir. i пнд;.. iliiom i ii’[ ит 11 ;гч ке — гармонической несущей), а в виде коротких импульсов. Это позволя- ет при гой же общгн .шергни излучения, что и при непрерывном перенос- чике, увеличить пиковую (максимальную) мощность в соответствующем импульсе и тем самым повысить помехоустойчивость npi icxia, Задачей при- емника в цифровых системах является не точное ВОСПрОИЗВСдение передан- ного сигнала, а выделение из искаженного шумами сигнала именно того сигнала из конечного набора, который был послан передатчиком. В качестве переносчока первичного сигнала c(t) в цифровых системах Связи используют периодическую последовательность рад поим пульсов. Упрощенная структурная схема рад и о капа,1! а цифровой системы связи по- казана на [тис. 1,15, где для наглядности и лучшего понимания изображены УНрОЩНЕЕНЫС :нноры СИГНАЛОВ Е! ряде ее харак ГЕ’]Я1ЫХ точек, В подобных си- стемах вмес то генераторов iiE'cv щпх часто т щ'1 юл иву Еот сн н п'заторы, что опражено на рисунке. Hei |рерывные соибЕцення мтнкпо ЕгеуюдаЕ^ть и но дискретным (цн{||ровмм) каналам, Для итого их iциюбразу нкг в ци<[]роную фо]1МУ с иомощеяо опера- ции дискретизации 110 В]Н.‘МСНН, кнаитрваЕгня но уровню и кОДи|М)вання. Рие. 1.15. Упротеияая структурная схема радиоканала |у<фрнвпй системы связи 16
c.?i<>/L|>| дискретизации и кнантокання к последнее нремл стали нанынать форматированием (знаковое кодирование) н кодированием источника. И форматирование, и кодирование источника включают оцифровку пере- даваемого сигнала; основное отличие состоит в том, что кодирование источ- ника дополнительно включает сокращение избыточности информации. Задачей форматирования {formatting) является обеспечение совмести- мое.]! сообщения (или исходного сигнала) со средствами цифровой обра- ботки системы гвя 1и. Фор wi;n:i;>oe,ui‘!t( г ;<f.и-.ю >;/pewt;. .ни :i|?t,:i6pa;ii)- вание исходного сообщения □ цифровые символы (в канале приема происходит обратное преобразование). С этого момента передаваемый пер- вичный сигнал представляется цифровым кодом, или ншпемдо битов, не- кой ||ОелСд0на’1тгл11Н1И’111Ннт;1илартных импульсов («единиц») и пауз (*ну- лей»), обычно одинаковой длительности. Если помимо форматирования информации применяется ее сжатие, то процесс называют кодированием источника. В передающем устройстве цифровой системы электросвязи кодирование передаваемого сигнала вы- полняется современной цифровой логической микросхемой — кодером. Считается, что цифровые сообщения имеют логический формат двоич- ных пулей и единил н ... in передач]! проходя! . 11: i.. нм пул. к л он модуляции, н результате чего преобразуются в низкочастотные (импульсные) сигна- лы видеоимпульсы. Затем эти сигналы могут передаваться по каналу пе- редачи данных. Часто форматирование считают частным случаем кодиро- вания ис ючника. Следующий этап передачи сообщен и ii — помехоустойчивое кодирование. Идея помехоустойчивого кодирования заключается в том, что к передавае- мому сообщению добавляют избыточные неинформативные символы, Цель внесения ином точности — Сделать возможные кодированные сообще- ния как можно больше отличающимися друг от друга для обеспечения ис- правления на приемной стороне всех или некоторых ошибок, возникших в процессе передачи. После помехоустойчивого кодирования сообщение поступает в модулятор. Цифровое сообщение в модуляторе передатчика преобразуют в аналоговый модулированный сигнал, занимающий задан- ную полосу частот. Для этого несущее колебание модулируют полученной н кодере импу.иы’ной последовательностью. Чини* всего в цифровых систе- мах связи используют нмпулкио-коф)в1уо модуляцию. Итак, в цифровой системе передачи информации превращение сообще- ния в радиосигнал осуществляется тремя операциями: преобразованием, кодированием и модул я иней. Отметим, что кодирование Определяет мате- матическую сторону, а модуляция - физическую сторону превращения сообщения в радиосигнал. Кодирование представляет собой преобразова- ние передаваемого сообщения в последовательность кодовых символов (см,, например, код 01101 передаваемого сигнала на рис. 1,15), а модуля- ция — преобразование этих символов в сигналы, пригодные для передач!! по цифровому каналу. В приемнике после усиления на радиочастоте в УВЧ н преобразования частоты н усиления в блоке «Преобразователь с УП1!» из сигнала проме- жуточной частоты с помощью демодулятора извлекается и регенерируется (восстанавливается) последовательность кодовых символов. Затем проиэ- 19
годится дгкод!i]>c>i«;iiiiic' этих символов н декодере, Прощч'с сое гон г г notcrufriHL'icHun переданного сообщения по принимаемым к'одо- BLIM символам. С выхода декодера восстановленный аналоговый сигнал по- r’ieiinci к получателю сообщений, В Современных цифровых системам гняин используют дна специфичес- ких аналого-цифровых устройства — КОДёКИ и модем ы, A«dffKfi.w называют пару преобразователей кодер/декодер (КОдер и ДЕКодер), a — пару преобразователей модулятор/демодулятор (М ()де. штор 11 ДЕМадулятор). Модемы выполняют ряд различных функций н н зависимости от прин- ципа их реализации делятся на проводные, сотовые и пр. На рис. 1.1 К приве- дена упрощенная Структурная схема одного нз гипон проводных модемов. Подобный mi где м может работать н дуплексном ]Н'жимс, если применена я е- ты]Ч‘Х11ро1«одная линия связи, или полудуплексном режиме, если использу- ется двухпроводная линия обычной городской телефонной связи. Рис. 1.16. Упрощенная структурная схема проводного модема В режиме приема данных с линии связи в модеме с помощью корректо- ра устраняются искажения передаваемых сигналов, возникающие чаще всего в результате ограниченной полосы пропускания телефонного канала, неравномерности амплитудно-частотной .характеристики (АЧХ) и нели- нейности фалочастотной характеристики (ФЧХ). С выхода корректора сигнал подается на детектор (демодулятор), преобразующий модулирован- ное колебание в напряжение, форма которого воспроизводит низкочастот- ный передаваемый сигнал аналогового или цифрового вила. В схему моде- ма входит также блок управления. Практически по такой же структурной схеме выполняется связной высокочастотный радиомодем, использующий- ся в радиоканале системы связи небольшого (менее I км) радиуса действия. Следует четко представлять, что декодирование и демодуляция — это не просто операции, обратные кодированию и модуляции, выполняемые над пришедшим в приемник сигналом. В результате воздействия помех и раз- личных искажений в линиях связи принятый сигнал может существенно отличаться от передаваемого. Поэтому всегда можно высказать ряд предпо- ложений (гипотез) о том, какое сообщение передавалось. Главной задачей приемного устройства является принятие решения о том, какое из возмож- ных сообщений действительно передавалось источником. Для принятия та- кого решения необходимо проанализировать пришедший сигнал. С этой целью он подвергается различным преобразованиям, которые и называют обработкой сигнала. 50
Одной ИИ (X'llOHHEiEX I 1]1об.:|(!М ICOpHII СВЯТИ ЯМ Ht! ТСЯ OTEill’Kai I Hl‘ Н]Д|ВИ;| оптимальной обработки сигнала, при которой решение о переданном сооб- щении оказывается наиболее достоверным. Эти правила зависят от свойств канала связи и методов передачи (кодирования и модуляции). При обработке принятый сигнал подвергается анализу с учетом всех сведений об источнике (например, о вероятностях, с которыми источник посылает то или иное сообщение), о применяемом коде и методе модуляции, а так- же о свойствах радиоканала. По итогам анализа обычно можно определить условные (апостериорные) вероятности возможных гипотез и на основа- нии этих вероятностей i ринять решение, результат которого и поступает к получателю. Та часть приемника, которая выполняет анализ приходяще- го сигнала и принимает решение о i тредаи ном сообщен и и, представ.'пит собой специальную систему распознавания и называется решающей схе- мой. В системах передачи непрерывных сообщений с аналоговой модуляцией решающая схема определяет по пришедшему искаженному вторичному сигналу наиболее вероятным переданный первичный сигнал и восстанав- ливает его. 13 таких системах решающей схемой является демодулятор. Ре- шающая схема приемника в системах передачи дискретных сообщений со- стоит, как правило, из двух частей: первой решающей схемы демодулятора и [второй решающей схемы декодера. В некоторых случаях при передаче дискретных сообщений операции демодуляции и декодирова- ния liiJiiiL'iiiMe i' одно устройство, которое приходящую последовательность элементов сигнала преобразует сразу в последовательность символов (букв) сообщения. Такой метод приема сообщений называют совместной демо^ляцией-декадиройанием, в отличие от поэлементного приема с двумя решающими схемами, В ряде случаев применяют решающие схемы с двумя порогами. В про- стейшем случае первая решающая схема представляет собой пороговое уст- ройства, работающее по принципу *да или пет*. Если принятый элемент сигнала выше установленного порога, выдается один символ кода (напри- мер, <1>), если ниже другой (например, «0^). При попадании уровня сиг- нала между двумя порогами никакого решения не принимается — вместо сомнительного Элемента с и гнала выдается Специальный символ стиранию Включение стирающего символа облегчает возможность правильного деко- дирования принятой комбинации. Особое влияние на качество приема сигналов оказывает точность син- хронизации переданных н принятых сигналов. Различают тактовую син- хронизацию (определение границ единичных элементов сигнала), цикловую синхронизацию (правильное разделение кодовых комбинаций), синхрониза- цию несущих частот и др. Погрешности синхронизации передаваемых и принимаемых сигналов приводят к снижению достоверности приема со- общений, а иногда и к неверному приему всего сообщения или его части. Наиболее часто в системах передачи информации применяют цикловую синхронизацию. Простейшим лиг годом, иозеюляющим на приеме отделить одну кодовую комбинацию от другой, является стартстопиый режим пе- редачи, когда в начале и конце каждой кодовой комбинации передают спе- циальные синхросигналы (<*старт> и «стоп*). Такой метод передачи отно- 51
Сят К асинхронным, поскольку передач;] очередной кодовой комбинации мо- жет начинаться о любой момент времени после окончания предыдущей комбинации. При синхронных методах передачи кодовые элементы сигнала передают непрерывно через одинаковые промежутки времени.гТогда разде- ление кодовых комбинаций осуществляют с помощью цикловой синхрони- вации. Между аналоговыми и цифровыми каналами имеется существенное раз- личие. Цифровые каналы менее подвержены искажению и интерференции радиоволн, чем аналоговые. Поскольку двоичные цифровые каналы дают значимый по мощности сигнал только при работе в одном из двух состоя- ний — включенном или выключенном, возмущение должно быть достаточ- но большим, чтобы перевести рабочую точку канала из одного состояния в другое. Наличие всего двух состояний передаваемого сигнала при цифро- вой связи (как правило, это и <1ь) облегчает его восстановление и. сле- довательно, предотвращает накопление в процессе передачи шумов или других возмущений. В дискретных системах передачи информации и связи ошибка при передаче сообщений возникает лишь тогда, когда сигнал опо- знается неправильно, а это возможно только при искажениях, превышаю- щих некоторый оптимальный порог сигнала. Аналоговые сигналы, наоборот, не являются сигналами с двумя состоя- ниями; они могут принимать бесконечное множество форм. В аналоговых системах любое, даже сколь угодно малое воздействие помехи на сигнал, вызывающее искажение модулируемого параметра, всегда влечет за собой внесение погрешности в передаваемое сообщение. Поэтому абсолютно точ- ное восстановление переданного сообщения в них практически невозмож- но, При использовании цифровых технологий очень низкая частота воз- никновения Ошибок и применение п^Юцедур выявления и коррсю 1ии ошибок делают возможной высокую точность приема сигнала. При цифровой обработке сигналов оказалось возможным реализовать сложные алгоритмы, которые не под силу аналоговой технике. Прежде все- го Это касается важнейшего раздела современной теории связи — создания адаптивных связных систем, изменяющих обработку сигнала при измене- нии его параметров. При iti ]i.gi'к: и коммутации различные тины цифровых сигналов мож- но рассматривать как идентичные; ведь бит остается битом Кроме того, для удобства коммутации и обраб< икп цифровые сообщения могуч группи- роваться в автономные единицы, называемые пакетами. В цифровые тех- нологии естественным обозом внедряются функции, заиц-нцающие от ин- терференции и подавления сигнала либо обеспечивающие шифрование или секретность. Цифровые системы требуют более интенсивной обработки, чем аналого- вые. Кроме того, для цифровых систем необходимо выделение значитель- ной части ресурсов для синхронизации на различных уровнях. Аналоговые системы, наоборот, легче синхронизировать. Еще одним недостатком сис- тем циф]ювой связи является то, что ухудшение качества насит пороговый характер. Если отношение сигнал/шум падает ниже некоторого порога, ка- чество обслуживания может скачком измениться от очень хорошего до очень плохого. 52
1,2^5, Основные характеристики н параметры систем снязи Работа любой системы связи оценивается прежде всего точностью и ско- ростью передачи информации. Первое определяет качество передачи, вто- рое — количество, В реальной системе связи качество передачи связано со степенью искажении принятого сообщения, Эти искажения зависят от свойств и технического состояния системы, а также от интенсивности ее ха- рактера помех. Если система связи спроектирована правильно и техничес- ки исправна, то необратимые искажения сообщений обусловлены лишь воздействием помех, В этом случае качество передачи полностью определя- ется помехоустойчивостью системы. Под помехоустойчивостью понимают способность системы связи про- тивостоять вредному влиянию помех на передачу сообщений. Поскольку действие помех проявляется в том, что принятое сообщение отличается от переданною, Ю количественно помехоуггойч шнн’ть при заданной помехе можно характеризовать степенью соответствия принятого сообщения пе- реданному. Эта величина характеризуется термином верность. Количест- венную оценку верности выбирают по-разному, в зависимости от характе- ра сообщения п требований получателя, Можно показать, что верность передачи зависит от отношения средних мощностей сигнала и помехи (ча- ще — отношения сигнал/шум; англ. — signal-to-noise ratio — SAW; обознача- ют обычно это отношение как 3/N). В работах В. Л. Котельникова и К. Шеннона показано, что при выбран- ном критерии и за/щнном множестве сигнален, принимаемых при Онреде- . it n:ii;ii : i?',k \e (бг :<> шн \t>: tuff J. ryirrr iiiyi i iipi-.u ,i i.i н ( no-ci шп- альная) помехоустойчивость, которая ни при каком способе приема не может быть превзойдена. Приемник, реализующий потенциальную поме- хоустойчивость, называют оптимальным. При некой интенсивности поме- хи вероятность ошибки приема тем меньше, чем сильнее различаются сиг- налы, передающие разные сообщения Проблема состоит в том, чтобы выбрать для передачи информации сильно различающиеся сигналы. Вер- ность передачи можно повысить за счет усложнения методов модуляции- демодуляции и введения помгхепч топчпвого коде питания сообщений. На- конец, верность передачи зависят и от способа приема сообщений. Необходимо выбрать такой способ приема, который нанлучшим образом реализует различие между сигналами при данном отношении сигнал/шум. Другой важный показатель системы связи — скорость передачи инфор- мации. Как уже отмечалось, объем передаваемой информации принято изме- рять в битах и байтах. Широко используют и более крупные производные единицы объема информации (как, впрочем, и объема памяти компьюте- ра к): килобайт, мегабайт, гигабайт, а также, в последнее время, терабайт и петабайт. При определении количества информации исторически сложилась та- кая ситуация, что с наименованиями «бит» и «байт» некорректно применя- ли (и применяют) приставки системы СИ (в соответствии с международ- ным стандартом МЭК 60027-2 -лги единицы используют, например, так: вместо 1000 - 10 s записывают 1024 - 2"’): * 1 Кбайт - 21<| байт - 1024 байт; 53
* 1 Мбайт — 22Вбайт = 1024 Кбайт; * 1 Гбайт = 2"J байт = 1024 Мбайт = 1, 048 576 Кбайт и т.д. При этом обозначение «Кбайт» принято начинать с прописной буквы в отличие от строчной буквы «к» для обозначения множителя 103. Напомним, что количество бит или байт, передаваемых в секунду, есть скорость передачи информации, которая определяется в биг/с, бод или байт/с. При повышенной скорости передачи она определяется в Кбит/с, Мбит/с, Гбнт/с, Кбайт/с, Мбзйт/с, Гбайт/с, Кбод, Мбод, Гбод н тд. В последние годы для оценки скорости передачи информации использу- ют термин «битрейт» (bifrafe). отражающий объем передаваемой информа- ции в единицу времени. Битрейт принято использовать при измерении эф- фективной скорости передачи полезной информации. Битрейт выражают битами в секунду [бит/с], а также производными величинами с приставка- ми кило-, мега- и т.д. При использовании не двоичных, а m-ичных символов максимальное количество информации, которое можно передать но каналу связи, равно log,/?! [бит |. Поэтому дискретный источник сообщений может обеспечить m:i игпмал иную иронаводителвнести ([Kopori i, in>i;i:i4ii) информации [бит/с |. не превышающую К" Т ' J н где Ти — длительность одной посылки; m — основание цифрового кода. 11ри m = 2 А’„ = 1/Тн н скорость передачи информации /?„ численно рав- на технической скорости v. При т > 2 возможна скорость передачи инфор- мации/^ > г. Однако часто в цифровых системах связи скорость передачи информации JfH < v. Такой вариант бывает, когда не все посылки использу- ются ДЛЯ передачи информации, например [’ели часть из них Служит для синхронизации или для обнаружения и исправления ошибок (при исполь- зовании корректирующего кода). Как будет показано далее, максимальное количество информации, кото- ।m(j,i,ii:i iirjiejiiiTB одним двоичным с нменI шм (< I и. ,.| < 0 <-). p;i к ни 1 Гни у. Теоретически каждый символ, поступивший на вход канала связи, вызыва- ет появление одного символа на выходе, так что техническая скорость па входе н выходе канала одинакова. Сжатие передаваемой информации, Ilpii передаче информации имеют место две взаимосвязанные проблемы; устранение избыточности информа- ции и сжатие последней. Под избыточностью понимают бесполезную, лиш- нюю при приеме часть информации, котором все равно невозможно восполь зеваться, и она фактически не нужна потребителю. Сообщения практически ЛН1б(1П] источника обладают ПибыТИЧНОСТЫ». ДсЛП И ГОМ, 'ГЕО lil.H'.'lliflEill1 знаки сообщения находятся в определенной статистической связи. Так, ь словах русского языка после двух подряд с гоящих гласных букв более ве- роятна согласная, а после трех подряд согласных наверняка будет гласная. Иибыточ посте, позволяет iiiJi'.nraioiHE'ii сообщения в более экономной фор- ме. Мера возможного сокращения сообщения без потерн информации за счет статистических взаимосвязей между его элементами определяется из- быточностью, Понятие «избыточность* применимо не только к сообщен п- 54
ям ИДИ Сигналам, но и к я;зьгку н целом, коду. [Luipmirp, иибыточность ев- ропейских языков достигает 60—80%. Причина появления избыточности невосприимчивость человеческих органов к некоторой части принятой информации. Так, например, телеви- зионное изображение может содержать до 16 тыс, цветовых оттенков одно- го ппета. тогда как зрение человека, чувствительное к яркости, невосприим- чива к такой громадной гамме цветов. В лучшем случае человек может различить до нескольких сотен цветовых оттенков одного цвета. Поэтому часть цветовых оттенков при передаче можно исключить без ощутимой со стороны человека потери качества цветного изображения на экране. 'Го же можно сказать относительно передачи по каналу связи устной речи, верхнюю ас । : । у пк'?,1 |)и к и 1 : ц :-tn’i \i( ь:, но трин и hi ii> час г л он J'OU I и. (ir.i ш: ри смысла принятого сообщения. Еще очень простой пример — пусть по кана- лу связи следует передать сведения о значениях индуктивности L, емкости Си резонансной частоты/колебательного контура. В этом случае можно по каналу передать только значения двух величин, например индуктивности и емкости, а резонансную частоту на приемном конце вычислить по извест- ной формуле. Устранение избыточности в исходной информации позволяет передавать или хранить менынее число бит. В теории информации К. Шеннон доказал теорему (см. далее), согласно которой для источника без избыточности при /?н < С (здесь С — емкость системы связи) можно найти такой способ коди- |Ю!ззи ця-дске тирован ня, при котором ызиможна нереддчагонбщшinii но каналу связи с помехами со сколь угодно малой ошибкой. Наличие избыточности в сообщении часто оказывается полезным и даже необходимым, так как поз- воляет обнаруживать и исправлять ошибки, т.е. повысить достоверность ь;ц 1.Г Я I.’: :i .’|| | .1 -| 111! Jr II! / ;Г)|,П О’ I I Н II’ I I । IS С1ЮО1 цепни 11Г : IC11 : I. I ь: ется для повышения достоверности передачи, то ее следует исключить. Для этого используют специальное статистическое кодирование, и избы- точность сигнала уменьшается по отношению к избыточности сообщения. Универсальным показателем системы связи является информационная эффективность г|, характеризующая использование пропускной способно- сти канала т| - /?и/С. Своевременность передачи сообщений определяется допустимой из- держкой, обусловленной преобрази ванном сообщений и сигнала, а также конечным временем распространения сигнала по каналу связи (особенно время распространения заметно в спутниковых системах связи). Оназави- гиг иг двух HOKiiiiirir.rrii: характера и протяженности канзиш и длительнос- ти обработки сигнала в передающем и приемном устройствах. Скорость пе- редачи информации и ее задержка в линиях связи являются независимыми характеристиками. Канал связи, так же как и передаваемый сигнал, характеризуют тремя параметрами: временем // в течение которого по каналу возможна переда- ча информации, динамическим диапазоном Ц и полосой пропускания ка- нала 11 од йина.мическим диапазоном какала понимают отноп iен не до । 1устймой мощности сигнала к мощности присутствующей в канале помехи, выражен- ное в децибелах. 55
Обобщенной x;i|);1ктп]hiстикой k,ih;li;i снязи служи того емкг/стъ (объем) К " TAD>.' 11еобходимое условие неискаженной передачи по каналу сигналов K<Vr (1.2) Часто преобразование первичного сигнала в высокочастотный радио- сигнал и преследует цель согласования пере даваемого сигнала с каналом. В простейшем случае сигнал согласуют с каналом по всем трем параметрам: тг<т,- О З) При соблюдении этих условии объем передаваемого сигнала практичес- ки полностью «вписывается» в объем канала. В ряде случаев неравенство (1.2) может выполняться и тогда, когда од- но или дна из нераве! ictb (1.3) пены пол целы. Это означает, что можно про- изводить «обмень длительности на ширину спектра или ширину спектра НИ динамический диапазон и т.д. Рассмотрим пример, Пример 1,1 Пусть записанный на магнитофон телефонный сигнал с шириной спектра 3,4 кГц необходимо передать черед канал связи, полоса пропускания которого 340 Гн. Это можно осуществить, воспроизводя сигнал со скоростью, в пить раз меньшей той, с которой он был записан. При этом все значения частот исходно- го сигнала уменьшатся в пять раз, по и во столько же раз увеличится время пе- редачи. Принятый сигнал также записывают на магнитофон, а затем, воспроиз- ведя его со скоростью, г пять раз большей, можно с высокой точностью восстанови гь исходный сигнал. Аналогично можно передать сигнал быстрее, ес- ли полоса пропускания канала шире спектра сигнала. Однако наибольший интерес вызывает возможность обмена динамичес- кого диапазона капала связи на полосу пропускания. Оказывается, что при внедрении импульсно-кодовых видон моду ляпни (см. гл. 2) можно пере- дать сообщение с динамическим диапазоном, например. 60 дБ по каналу, в котором сигнал превышает помеху всего лишь на30 дБ. При этом исполь- зуется полоса пропускания канала в несколько раз более широкая, чем cjjcitci р сообщения. 1.2.6. Линии связи Виды линий связи, по которым передают информацию от источника со- общений к получателю, многочисленны и разнообразны. Кибельяые линии связи являются основой магистральных сетей дальней Связи; но ним осуществляется передача сигналов н дилшттош’ частот от де- сятков килогерц до сотен мегагерц. Одними из самых совершенных систем передачи информации являются волоконно-оптические линии связи. Физический эффект, па котором осно- вано их действие, — это явление полного внутреннего отражения. Он воз- никает при переходе света из среды с большей оптической плотностью (большим показателем преломления и) в среду с меньшей оптической плотностью (меньшим и). Информация по таким каналам связи передается 56
в виде световых HAiiiyjibCOH, нОСЫЛаеМЫХ Лазерным и;чл учителем. Они ПОЗ- ВОЛЯЮТ в диапазоне частот 600—900 Ti n (а = 0,5—0,3 мкм) обеспечить чрез- вычайно большую пропускную способность (примерно 120 000 каналов по паре оптических волокон) и создают надежную и скрытую связь с высоким качеством передачи информации. Преимуществами оптических волокон (ОВ), или световодов, как среды распространения сигналов связи и конст- руктивной основы оптического кабеля (ОК) являются: * широкая полоса пропускания, позволяющая передавать сигналы элек- тросвязи со скоростью (битрейтом) до 2,0-2,5 Тбит/с и выше; например, даже при скорости 50 М бай г/с в течение 1 с передне гея объем и л формации, приблизительно равный содержанию 10 школьных учебников; * низкий уровень потерь iiri распространенно сигналов, обеспечиваю- щих их передачу без регенерации иа расстояние до 175—250 км (в перспек- тиве — до 500 км); абсолютная нечувствительность к электромагнитным помехам: • отсутствие перекрестных помех (перекрестной модуляции) в ОК; • малая масса и размеры ОК. К достоинствам ОВ и ОК можно отнести такие, как достаточно высокая защищенность от несанкционированного перехвата передаваемой инфор- мации, пожаробезопасность, относительно невысокая стоимость ОК по сравнению с медными кабелями и практически неограниченные запасы сы- рья для производства ОВ. Поэтому ОК почти полностью вытесняют в на- стоящее Е![1емя Другие НИДЫ нанрЗВЛЯЮЩИХ СфуЕСГур 13 маГНС1рЗЛЕ1ПЫХ ЛИ- НИЯХ цифровых сетей связи. Наряду с проводи i.iми линиями связи широко используют радиолинии различных диапазонов (от сотен килогерц до десятков гигагерц). Эти ли- егии iwX'iCe экоиомичегье и незаменимы для связи с подвижными СЮъектамн. Для многоканальной системы электросвязи при передаче информации на большие расстояния широко используются радиорелейные линии (РРЛ) связи. Радиорелейная связь (от радио и франц, nelais — промежуточная стан- ция) связь, состоящая нз группы ретрансляционных станции, располо- женных на определением расстоянии друг от друга. Антенны станций ли- пни радиорелейной связи устанавливают на мачтах (башнях) высотой 70- 100 м. Протяженность линии радиорелейной связи может составлять до 10 000 км, емкость до нескольких тысяч каналов. В зависимости от используемого метода распространения радиоволн РРЛ можно разделить на дне основные!руины; прямой видимости и тропо- сферные. Рэш юрелейн ые л инн 11 прямой видимости основные назем ные средст- ва передачи сигналов телефонной связи, звукового и телевизионного веща- ния, цифровых данных и лр. на большие расстояния. Ширина полосы час- тот сигналов многоканальной телефонии и телевизионного вещания составляет несколько десятков мегагерц, поэтому для их передачи практи- чески могут быть использованы диапазоны только дециметровых и санти- метровых воли, общая ширина спектра которых составляет 30 ГТц. Кроме того, в этих диапазонах почти полностью отсутствуют атмосферные и про- мышленные помехи. 57
Тртнк'фг//fifin' д;ги, ;ir I'h/uitxi^i.ii.. :i; ii()h;hiii;i;i ii;; пгпо. il u?b,i- ИИГ! ЯВЛеНИЯ ПерСИЭЛучеНИЯ in-1 TFroii энергии Fi электрически ni‘- ОДЦОрОДИОИ ||)|]|ИК’фе|]е. При THKElil 1'НЯИИ ПМ(ЧЧТИ(К1М(1ЖН()1"1ЪуС11Й1ЧИВО- m приема ралшм’нгнэ.ннг sr;i ;чнучитальном удалении егг линии горизонта. ('о1!|Ц '.|1'111П:1(- :)яд||<||)('. K'iiiiiur . ппи:и сзязи прев thu.ihiot госюй цепочки достаточно мощных нриемно-нереданнцнк радиостанций — pt п ри игл я го- ров, |Н»С.г1(!ДОКаТ1‘-,[111 IO при н имцющих, усиливающих, 11|)СоГ)рЦИОВиВаК)11[ИХ сигналы на другие частоты и передающих далее Сигналы in одного конца j'ihiihh связи к другому (риг. 1.17). Па каждой ни н]н*межуточных ( raFH[iiii про исходя г ноггта топление и перенос г и гнала ега Другую частоту, Т.е, Заме- на принятого слабого сигнала новым сильным, посылаемым на Следующую Станцию, Наиболее распространены радиорелейные лиееин связи мсгроЕНЕ- п>, дециметрового и rain имстроногодианаэпноЕ!, обычгго работающие* на ча- ги нах от fill М I и. до 15 ГГц. Рис. 1.1г. Структурная схема радиорелейной ДННнй связи Все большее применение находят спутниковые линии связи — РРЛ с ре- транслятором на ИСЗ. В системах спутниковой связи используют волны и пределах 1,5—14 ГГц (но наиболее используемый диапазон — 4—6 П’ц), проходящие через ионосферу с минимальным затуханием энергии. Переда- ча информации на большое расстояние при одном ретрансляторе на ИСЗ, гибкость и возможность организации глобальной сети связи — важные пре- имущества спутниковых систем. Основным преимуществом цифровых систем связи перед аналоговыми является высокая помехоустойчивость, Это полезное качество наиболее сильно проявляется в системах передачи с многократной ретрансляцией сигналов. Типичные системы такого типа — радиорелейные, волоконно-оп- тические и кабельные линии большой протяженности. В таких системах помехи и искажения, вози икающие в отдельных звеньях, как правило, на- капливаются. Для простоты положим, что сигнал в каждом ретрансляторе только усиливается. Тогда если аддитивные помехи в каждом звене связи статистически независимы, их мощность на входе последнего эвена равна сумме мощностей помех всех звеньев. Если система передачи информации состоит из п одинаковых звеньев, для обеспечения заданной верности свя- зи необходимо обеспечить на входе каждого ретранслятора отношение сиг- нал/помеха в п раз большее, чем при передаче сигнала без ретрансляций. В цифровых системах связи для ослабления накопления помех при переда- че с ретрансляциями наряду с усилением применяют регенерацию пнрсда- 50
вд^мых импульсов, Т-С, демодуляцию с восстановлением переданных сим- НПЛПВ И ]|[>HTO]]liyill МОДУЛЯ ЦП IO ILL 11(![1(!Г1 pilt'MHOM 11 V11 ICF-t.1. П [111 И С111 »_'| Г.. 11 И LLil- [[ни регенерации ;зддитинещя номсхиг входа ретранслятора не iiocrvii;ict на его выход. Однако опа вызываетошибки при демодуляции, Ошибочно при- нятые в одном регенераторе с нм валы в гаком виде иер|-даются н па следу- ющие регенераторы, так что ошибки все же накапливаются. 1.2,7, Системы радиовещания Широкое распространение по лучили системы радиовещания системы передачи информации, заключенной в звуковых сигналах (речь, музыка), от передатчика вещательной станции через линию связи околоземное пространство с помощью электромагнитных колебаний к приемникам слушателей (рис. 1.18). На входе передатчика канала радиовещания вклю- чен микрофон, который превращает звуковые волны, создаваемые дикто- ром в студии, в электрические сигналы. На выходе приемника включен громкоговоритель (или наушники), осуществляющий обратное преобразо- вание электрических сигналов в звуковые волны. Риг. 1.18, Структурная схема канала радиовещания Необходимость перехода радиовещания к цифровым видам модуляции обусловлена прежде всего развитием цифровой техники, средств связи, ве- щания и информационных служб. Специалисты разработали различные системы цифрового радиовещания (ЦРВ), из которых широко признана DRM [Digital radio mondiale — Всемирное цифровое радио). 1.2.8. Телевизионные (телевещательные) системы Преобразование изображения света на основе внешнего или внутрен- него фотоэффекта. Преобразование подвижных изображений в электри- ческий сигнал осуществляется с помощью передающих телевизионных (ТВ) трубок или твердотельных фотоэлектрических преобразователей. Су- ществует несколько способов преобразования электрического сигнала в оп- тическое изображение. Наибольшее распространение получили фотогра- фический, электрохимический и электронный способы. Например, электрохимический способ предполагает запись изображения на электро- химическую бумагу, протягиваемую между двумя электродами, цвет кото- рой изменяется иод действием сигнала, Электронное изображение основа- но на применении приемной ТВ-трубки — кинескопа. Первый проект телевизионной системы с последовательной передачей элементов изображения предложил в 1878i. португальский инженер А. де Лай- ва. Автором первых разработок по электронной передаче изображения на расстояние был профессор Петербургского технологического института Борис Львович Рознит. В 1907 г. он изобрел электронную систему воспро- изведения телевизионного изображения с помощью электронно-лучевой 59
трубки,;! н 1911 г. ннерныс ]|роде!мон(:г]1пр<п!;и] прием изображений про- стейших геометрических фигур Его ученик Владимир Кузьмич Зворыкин в 1923 г, получил в США патент на изобретение электронной системы те- левидении. К 1929 г. В. К. Зворыкин, существенно усовершенствовав элект- ро нно-лучевую трубку, создал кинескоп — приемную телевизионную трубку, а также в 1931 г. иконоскоп — передающую телевизионную 1 рубку (незави- симо от пего это сделал русский ученый Семен Исидорович Катаев) и разра- Гюта.1 комп.лю ;i.:.:;i|i;i г. р .. -. л к i |ir-nnoi о г. un;-,iriii:;i. lid. плюс ;11;.1 .i iiи;* имели труды Зворыкина но созданию цветного телевидения. Он признал во всем мире как «отец телевидения». Телевизионные системы являются частным случаем радиовещательных И СИМПЛеКСНЫХ Связных систем, и между ними м ного общего. Однако есть ряд особенностей, выделяющих телевизионные системы из общего класса систем передачи информации. Телевизионной системой называют совокупность радиотехнических уст- ройств, обеспечивающих передачу и прием изображений но радиоканалам, спутниковым, волоконно-оптическим или кабельным линиям связи. Д ля передачи телевизионных сигналов изображения и звука по различным радиоканалам используют диапазоны метровых, дециметровых и сантиме- тровых волн. Принцип действия телевизионных систем основан на после- довательном построчном разложении изображения на мелкие элементы пиксели (от англ, pive/ — picture element — элемент изображения) и передачи о них информации. Процесс построчного преобразования яркости (и цветности в цветном телевидении) элементов изображения в шп ряжение видеосигнал (термин «видеосигнал*, от англ, baseband signal, определяет сигнал, спектр которого Сосредоточен в диапазоне от постоянной составляющей до некоторого ко- нечного значения, обычно не превышающего нескольких мегагерц) — назы- вают растровой (от лат. rostrum грабли) разверткой. При такой разверт- ке ПЛОЩадь одного образца изображения (кадри) просматривают по двум взаимно перпендикулярным направлениям с достаточно высокой скоро- стью по горизонтали (строчная развертка) и более медленной — по верти- кали (кадровая развертка). Системы черно-белого телевидения. Рассмотрим структурную схему черно-белого телевизионного передающего устройства без канала звуково- го сопровождения (рис. 1.19), В передающем устройстве гелсвизионпый сигнал формируется передающей трубкой. Для построчной и кадровой раз- вертки изображения на передающую трубку поступают дна пилообразных напряжен ля от генераторов строчной и кадровой разверток. 11илообразное напряжение строчной развертки отклоняет электронный луч передающей трубки по горизонтали (по строке), а пилообразное напряжение кадровой развертки осуществляет его быстрое перемещение сверху вниз (по кадру). При совместной работе обоих генераторов луч перемещается (сканиру- ет) по экрану слева направо, прочерчивая строки изображения, а когда про- черчена последняя строка, луч скачком возвращается к началу нового кад- ра. Поскольку каждая передаваемая строка должна вызывать синхронное свечение той же строки на экране телевизионной) приемника, в генерато- рах строчных и кадровых синхроимпульсов (СИ) передатчика форм пру ют- 60
Рис. 1.19. Структурная схема телевизионного передающего устройства ся н имеет с сигналом изображения передаются прямоугольные импульсы строчной и кадровой синхронизации синхроимпульсы. Они подаются на видеоусилитель передающего устройства, а также синхрон из л оу ют генера- торы строчной и кадровой разверток соответственно. Для гашения луча в передающей трубке при возврате его на конца одной строки к началу дру- гой, а также при смене кадров изображения генерируются строчные и кад- ровые гасящие импульсы. Синхронизирую!цис I! гасящие импульсы должны быть согласованы друге другом по времени и поэтому вырабатываются из колебания одного выспкостабильного задающего генератора. В результате и телевизионном передающем устройстве формируется полный телевизионный сигнал. С помощью упрощенной времен ной диаграммы проанализируем структу- ру полного телевизионного сигнала (рис. 1.20). 1фактически во всех теле в и знойных системах видеосигнал подают на катод приемной трубки (кинеско- па). Вследствие эт ого более темным участкам передаваемого изображения должен соответствовать видеосигнал с более высоким потенциалом, чем свет лым учас гкам, как показано на рис. 1.20. Верхней штриховой линией на рисунке отмечен некоторый потенциал уровень черного, при котором ки- нескоп полностью закрыт н -жран не светится. Нижней штриховой линии соответствует потенциал, называемый уровнем белого, при котором свече- Рис. 1.20. Упрощенная временная диаграмма полного телевизионного сигнала 61
пир Экрану киггегкчтц практически максимально. Между нагнанными уров- ня лги возможно размещение потенциалов видеосигнала (У), который будет передаваться без заметных искажении. Все вспомогательные сигналы располагаются в области потенциалов выше уровня «черного». Здесь размещены гасящие строчные (2) и кадровые (3) импульсы, на «пьедесталах» которых находятся соответственно строч- ные (4) и кадровые (?) синхроимпульсы. В телевизионных приемниках ука- занные импульсы отделяют от остального сигнала и используют для запуска разверток и гашения лучей. Отличительными признаками, но которым про- изводится Отделение вспомогательных импульсов От основных, ЯВЛЯЮТСЯ их амплитуда, частота следования и длительность, Представленная карти- на усложняется тем, что строчные синхроимпульсы передаются и во время действия кадровых импульсов. Используют также и другие вспомогатель- ные сигналы: так называемые импульсы нерезки» (см. рис. 1.20, позиция 6) н уравнивающие импульсы, которые для упрощения на временной диаграмме не показаны. На рис. 1.20 приведена упрощенная телевизионная система с построчной {прогрессивной) разверткой, частота смены кадров В которой 25 Гц. Однако ok]hih телеприемников такой системы С данной частотой сме- ны кадров сильно мерцает и утомляет глаза человека, поэтому в реальных устройствах используют чересстрочную {по научному — интерлейсную) развертку. При этом луч сначала прочерчивает все нечетные строки, а за- тем вес четные строки изображения. В результате частота смены строк в кадре удваивается и аффект мерцания экрана существенно уменьшается У телевизионном приемном устройстве (рис. 1.21) осуществляется об- ратный процесс преобразования принятого антенной радиосигнала в яр- кое г в изображения на экрй и е телени з ион но й трубки (н современных теле- визорах — на жидкокристаллическом или плазменном экране). Модулировал ное колебание, принятое и преобразованное приемной ан- тенной в телевизионный сигнал, поступает в селектор каналов с преобразо- вателем частоты, с помощью которой» телезритель подключает нужным канал. В селекторе каналов приемника также [тронаводятся усиление об- щим усилителем радиочастоты и преобразование несущих частот сигналов II 1(>брЭЖС!ННЯ II . :|:\ ]О I. . )J I ! I i III 11.1 II .1 11. I71 T,l,\ 11 El II I |\ l-J IMeC I Г '.T 11. 111Г-. I- ются в усилителе промежуточной частоты {У114) изображения. Сигнал Рис, 1,21. Структурная схема телевизионного приемного устройства 62
изображения детектируется в видеоде.тектире. Здесь же iц и (исходит разде- ление сигналов изображения и звука. Затем сигнал изображения усилива- ется в видеоусилителе и полается на кинескоп {телевизионную трубку). Сейчас характерным является быстрый рост выпуска телевизоров с плос- кими экранами па плазменных и жидкокристаллических панелях. Проме- жуточная частота звукового сигнала усиливается в У114 звука и после де- тектирования в детекторе звука и усиления в усилителе звука подается в сромкоггтпрителъ (Гр), Синхронность разверток Электронных лучей при- емника и передатчика рнгглытринаемой телевизионной системы обеспечи- вается синхроимпульсами строчной и кадровой разверток, которые выде- ляются селектором синхроимпульсов (селектором СИ) из полученного на выходе видеоусилителя видеосигнала. Эти импульсы подаются на генера- торы строчной и кадровой разверток, которые управляют перемещением луча кинескопа по строкам и кадрам соответственно. После модуляции и усиления полученный телевизионный сигнал либо излучается в свобод- ное пространство, либо иапранляетСН по специальным линиям связи к теле- приемникам. Звуковой канал передающей системы в принципе аналогичен устройству симплексной системы связи, рассмотренной ранее. Сигнал изображения формируется с помощью амплитудной модуляции несу.ней полным телевизионным сигналом с частичным подавлением ни- жней боковой полосы частот, а звукового сопровождения — частотной мо- дуляцией звука сопровождения. Основные параметры систем черно-белого телевидения: * развертка — чересстрочная; * длительность развертки строки вместе с обратным ходом луча — 64 мкс; * длительность развертки кадра вместе с временем обратного хода — 0,04 с; * число строк в кадре — Z - 625; * частота смены кадров — Ft - 25 Гц; * частота следования строк — Fr - F Z - 25 625 - 15 625 Гц: * частота смены нолей — 50 Гц: * число элементов разложения в одном кадре - п » 521 000. При этом номинальная полоса частот радиоканала составляет 7,625 МГц (ослабление составляющих 1,25 и 6,375 на 20 дБ), разнос несущих — 6,5 (несущая частота меньше частоты звука); ширина телевизионного веща- ния -8 МГц (рис. 1.22). Несущая частота Несугиаи частота сигнала звукового CHi'iiii iii пия СЛПрСПйоК№НИЛ Uli-ipiiiu спектра полнота телевиэнапнюго сигнала Рис. 1.22. Размещение спектров сигналок изображения и звука к телеканале 63
Системы цветного телен идеи и si, Сейчас применение систем чершэ-бс- лпп» теленизион него вещания ограничено. Современное вещательное теле- видение основано па передаче цветного изображения г применением плос- ких экранов на плазменных и жидкокристаллических панелях. Сейчас существуют три основные совместимые системы цветного теле- видения: • совместная советско-французская система SECAM (от фр. systeme еп cotdeur avec memoire цветная система с запоминанием: 1958 г.); * западногерманская PAL (от англ. phase alternation line строки с пере- менной фазой; 1962 г.); • американская АТАС (от англ. National television System Cammitee — I Ja- il и опальный комитет телевизионных систем; 1953 г.). Цветное телевидение в Российской Федерации действует по системе SECAhf, совместимой с черно-белой системой и отличающейся пООЧер&Д- пой передачей двух цвётОрЭЗнОСгныЛ Сигналов при непрерывной передаче Сигнала яркости. Она также принята во Франции и некоторых других Стра- нах Европы и Африки. В геле hi 13 иОн ной системе SECAM для сохранения четкости изображения (передачи мелких деталей) полоса видеосигнала я р- кости должна быть около 6,5 МГц. Поскольку па экране заметна окраска только крупных деталей изображения, полоса частот цветоразностных сиг- налов может быть уже. В последнее время телевизионные приемники в нашей стране способны принимать передачи цветного телевидения и по системе SECAM, и по сис- теме PAL. Так же как и SEC AM, система PAL в странах Европы и в России работает в 625 строках с часто тон 25 кадров, или 50 полей, в секунду. Разработку телевизионной системы A7SC осуществила американская компания National Television System Committee, аббревиатура которой и дала название стандарту, 11олностыо стандарт NTSC был сформулирован 17 де- кабря 1953 г. н США. Одной из задач, которые ставились при разработке системы NTSC, являлась совместимость с существовавшим на то время форматом черно-белого вещания. Это и определило разрешение в 525 строк с частотой 30 кадров, или 60 полей, в секунду. Из-за особенностей боль- шинства телевизионных приемников на самом деле обычно человек видит всего около 480 строк, В системе SECAM передаваемый полный цветной телевизионный сиг- нал по структуре существенно сложнее, чем сигнал черно-белого телевиде- ния, и несет в себе значительно больше информации. Широковещательная система цветного телевидения SECAM полностью совместима с этой же си- стемой черно-белого телевидения передачу сигналов цветного изображе- ния осуществляют по тем же каналам и в той же полосе рабочих частот, но которым ведется черно-белое телевизионное вещание. Общие характе- ристики цветного телевидения практически такие же, как н у черно-белого телевидения. Для обеспечения принципа совместимости обеих телевизионных сис- тем — цветного и черно-белого — и гост не сигнала цветного телевидения должен быть такой сигнал, который на экране черно-белого телевизора да- вал бы черно-белое изображение. Следовательно, одним из сигналов изоб- ражения цветного телевидения должен быть сигнал опорного белого - сиг- нал яркости. А сколько же цветов надо при этом передавать? 64
При с< Х VI*311И И <‘H m' М 1 ЦЧ'Г Н [ И11 TS!.' It? It] 1,1 и! 1111Я nt? I II Ul Ki V H IT 11 >№ I [I I () I'll ЧГГ К HI! СВОЙСТВа Глаза человека, Согласно приня той теории грех коли юиенгппт зре- ния ipii вида колбочек Ц ГЛЙЗу ВОСПриhiiihihit синий, ;я'Л(!ный и крисшчй цигта. Остальные ЦВСТа ПрСДСтан.1ян>г гобой слить этих осноиных цветов. Белый цьт i . I i>i r. i;i:!a ii'.HHickii Mti/.i'i быть иредг laii. irii t уммой c:n "i oih.is oi икон нггх грех цнгпш: красного (лга) Ек, зеленого (tfire/i) Ег и синего {blue) Ef. Таким приемом широко пользуются художники, смешнвая на палитре Краски, Поэтому сигнал яркости Ег легко кодируется тремя сигналами ЦВЕТНОСТИ Fr = аЕя + ЬЕе + сЕя. Коэффициенты неодинаковы: а - 0,30; b - 0,59; с - ОД I. Они определя- ются чувствительностью глаза к различным цветам, Сигнал яркости дол- жен иметь такую же ширину спектра, как и черно-белом телевидении. Сиг- налы цветности могут быть сравнительно узкополосными, так как глаз человека воспринимает окрашенными в различные цвета только относи- тельно крупные детали. Мелкие детали глаз видит черно-белыми, На рис, 1.23 приведена структурная схема формирователя (электричес- кая матрица), используемого для получения сигнала яркости из трех основ- ных цветов. Так как операция получения напряжения сигнала яркости Е, из цветовых сигналов является линейном и коэффициенты а, Ь, с меньше единицы, то электрическая матрица содержит резисторы /С1, R2, КЗ и пред стаиляет собой но существу делители напряжений с общим выходным со- противлением /?кыГ Для получения информации о цвете изображения ис- пользуют два цветоразностных сигнала, к искажениям типов которых глаз менее чувствителен: Ек Е} и Ег При передаче трех сигналов Ер Ел - Ер Efi Е., - яркости н двух цветоразностных в телевизионном приемни- ке возможно получение всех требуемых сигналов: £р Ел, £г;, £я, Для этого необходимо выполнение следующих операций: Ек- Er+ (Ек - Evy, Ес - |£у - (аЕя + cEs)]/6; E;t = Еу+ (ЕБ - Er). с I Нормирован не сигнала яркости Ег из трех составляющих Ед Еу, Ес и £л Е, осущес'1 вляют электрическими матрицами. Операцию вычитания выполняют элементарным прибавлением сигнала с противоположной фазой. Pur. t_23. Структурная схема формирователя сигнала яркости Для обеспечения совместимости систем цветного и черпо-белого теле- виде нпя необходимо также, чтобы частота кадров была одинаковой и рав- ной 25 Гц, штоса частот видеосигнала составляла примерно 6.5 МГц, а чис- ло строк 625. В системе SECAM для передачи цветоразностных сигналов используют две поднесущие частоты, сдвинутые относительно несущей частоты изображе- ния/0 на интервалы/щ, - 4,25 МГц и flt. - 4,406 МГц соответственно для пе- редачи цветоразностных сигналов Еа - £, и Ел Е,. Поднесущие частоты Е5
лежат в области малых составляющих спектра сигнала яркости и модули- руются ЦВНТОраНЕГОГТПЫМП СПТИЯ-ШМИ. При 3TOM применяют ЧаСТОТНУЮ мо- дуляцию <* чис ги'шым Подавлением верХННХ ГюкОВЫХ полос. ЦнеторйЗНОСт- ные Сигналы передают’ поочередно — черед строку. В течение передачи Одной строки ]|[']Н'д;нс)т один цвеТОраЗНОСТНЫЙ Сигнал, в течение передачи г.теду юеце'П строки — другой. Канал свянп при :ггом * уплотняется!», одЕгакп ширина спектра остается неизменной, Упрощениям структурная схема ц вег f retro геле в и и ион но го передатчика z.ioupaaana иг. рис. ' 21. ( нгтоноп поток от и (обряжения, прой u: 'icpc.i o6i:- ектин О, надает на дихроичные зеркала (светофильтры) ДЗ] и ДЗ^, раздел я- юн[ие енгтоноп шпок но спектру и выделяющие красную, зеленую и синюю го( тилляю1цие, которые г помощь hi зеркал 3, и З3 подаю। па соответствую- щие телевизионные передающие трубки ТПр ТП., и ТГЦ {структурно труб- ки об’ЬСДИЕЕеН Ы В одну). Па ВЫХОДе трубок формируются 1Я1ДС[ЮИГЕ[,1ЛЫ ЕД1 EG И Ей- Видеосигналы че]>еЗ соответствующие усилители 1> поступают па Электрическую матрицу, на выходе которой ппяндянтгея С1!гпя.'1ы — Ег н Е!( — Е}. Сигнал Ег поступает ira вход амилигудпого модулятора (AM), : а др ci с и’: вход koti qx no 1 о сн-i 1 г до. ituainii' ш-c'. i:u'ii ч.п i ci ы и (поражения о г тенора гора несущей чачтот ы. Амплитудный .модул яго] сформирует AM-ciiriia.i, несущий и шторма hi по о яркости отдельных илем гитов и;нображения. I [не гора л постные curinyiu Er — i[ Ен - EyllOCM Ограинчвшия их спектра — фильтрации в филыпрпл: нижой (ФПЧ) — поступают на частотные модуляторы (Т1М). па кот<)] гы! ык >/ia нп " га кжо i к ч’у щ 11 е ке хтеба1111 я /(| + f0R и Д - Эл е Ki | >о 11 ны й КОМ - Рщ1. Упрощенная структурная схема цветного телевюионншгл передатчика ЭЕ
му г;] ГО]] [гиоч^реднф пропуски!! Г Т1М-Г11 ГИЛЛЫ, Э'11-1 СИГНАЛЫ HMt'C’I’V С AM-с II I'- ll; I ОМ ! ])l,i?( "II IKH'IT усиления I '-, СП. II! If. IC МО1Ц1Н1Г1 II Г- I I !( '"' VI l.:l К I Г В IT: Г(!1|- ну T^'ipHHziHiiHHijno передатчикй, которая излучает' полученные электромаг- нитные полны. В схеме цнгпкн'о [tvi(!вHSHOHHOlTi передатчика имеются гчце I С :гр:Г1 О]) СИ X ! Hi. I'd I IV. IИ I г! : I J1!I I : 1|)Ы ]);i!SISep TU I I, I. I : I ! I’ 3Ы!’ 11. I |Н1С. 1.2 1 для упрощения не показаны. Передача звука производится так же, как и в черно-гч'лом телевидении, На рис 1.25 показана упрощенная структурная схема цветного телеви- зионного приемника, содержащая ан тенну, входную цепь, усилитель ВЫСО- КОЙ чш готы (УВЧ), смеситель и । егеродин. С выхода смесителя сигнал по- ступает на усилитель н]н1!мгжу точной частоты (У ПТ1), зигсм ,цетек тируется нищ ч1 доте втором и усиливается видеоусилителем, П] кисти чес км все эти элементы приемника, Э также канал звуки н развертки аналогичны соотнет- ствующим элементам черно-белого телевизионного приемника. Основное отличие цветного телевизионного приемника — наличие блока цветности (на риг. 1.2-1 он для упрощения не выделен), формирующего три цнегорпи- hihtiilix сигнала Ек — £р Е. — Ег и Ев — Еу. Рис, 1,25. Упрощенная структурная схема цветного телепнзионного приемника Фильтр Et с полосой частот 6,5 МГц, включенный на выходе видеоуси- лителя, выделяет сигнал яркости. Сигнал яркости Е} поступает и на вход фильтра цветоразностных сигналов, который выделяет частот но-модули- рованные цветоразностные сигналы с несущими частотами /ол п fia. С по- мощью электронного коммутатора, управляемого синхроимпульсами се- лектора синхроимпульсов, эти сигналы поступают па ограничители (для устранения паразитной амплитудной модуляции), частотные детекторы и усилители. На выходе усилителей получают цветоразностные видеосиг- налы Е„ - Е} и Ес - Еу. Эти сигналы и сигнал яркости Е} подаются па мат- рицу, на выходе которой получают три цветоразностных сигнала Ел Еу, Ес - Е} и Е№ Вместе с сигналом Ег они поступают на цветной кинескоп и позволяют получить па нем цветное изображение. Системы цифрового телевидения. Структурная схема современной циф- ровой телевизионной системы приведена на рис. 1.26. 67
Рис. 1.2U. Структурная схема системы цифрового телевидения В качестве источника телевизионного сигнала служит передающая каме- ра или видеомагнитофон, напряжение с выхода которых поступает на ана- лого-цифровой преобразователь (АЦП) изображения. В цифровой телевизи- онной системе используется компонентное (раздельное) кодирование, при котором в цифровую форму отдельно преобразуют сигнал яркости п цветоразностные сигналы. Преобразованные в цифровую форму сигнал яркости и цветоразностные сигналы подают на кодер изображения. Схема кодирования достаточно сложна, и в ней заложен ряд новейших принципов цифрового преобразования сигналов. В передатчике вместе с сигналами изображения формируют и сигналы звука. Звуковой сигнал с источника звука через АЦП звука подают па кодер звука. Кодированные сигналы изображения и звука объединяют в общий поток в мультиплексоре. Далее объединенные сигналы изображения и зву- ка поступают на кодер канала и модулятор, где осуществляют помехоустой- чивое кодирование и модуляцию несущего колебания. Сформированный радиосигнал цифровой телевизионной системы переда- ется но соответствующему каналу связи и пост упает в телевизионный прием- ник. Здесь в демодуляторе и декодере канала производятся демодуляция не- сущего колебания и декодирование помехоустойчивого кода общего сигнала изображения и звука. Затем в демультиплексоре из общего потока информа- ции выделяются цифровые яркостные и цветоразностные сигналы изображе- ния и сигналы звука, которые потом раздельно обрабатываются в декодере изображения и декодере звука. После преобразования сигнала яркости и цве- торазностных сигналов и цифроаналоговом преобразователе (ЦАН, от англ. digital-to-analog converter) изображения в аналоговую форму они поступают па монитор (экран), на котором воспроизводится цветное изображение. Де- кодированный сигнал звука также преобразуется в ЦЛН звука в аналого- вую форму и поступает на громкоговоритель телевизионного приемника. В последние годы требуемую полосу частот цифрового телевизионного сигнала удалось сузить в восемь раз, используя оптимальное цифровое ко- дирование, аналогичное кодированию информации в глазу человека. Системы телевидения высокой четкости. Более 20 лет назад консорциум из нескольких телевизионных компаний начал разработку нового цветного телевизионного стандарта HDTV (от англ high definition television1, рус. SB
ТВЧ — телевидение высокой че/пкоету), Обычный телйВИЭОр ныдшгг разре- шение 720 х 480, или 345 600 пикселей. Естественно, что чем большей плот- ности точек удается достичь, тем выше качество изображения. Разработчи- ки HDTV достигли разрешения 1920 х 1080, т.е. больше 2 000 000 пикселей. При атом получено не просто 1080 точек, а так называемое 1080 interlaced (чересстрочная развертка кадра), когда, упрощенно говоря, изображение не просто передается покадрово, а кадры как бы частично накладываются друг на друга, что еше более усиливает эффект четкости изображения. II настоящее время изображение в формате HD1 транслируют в основном компании спутникового телевидения, но есть псе основания утверждать, что вскоре большинство каналов будет транслироваться в формате HD. Ка- бельное гел(!нид(!11и[’ пике транслирует HD-i\ । ii ia.i, однако д. in этого требу- ется дополнительное оборудование. Обычные телевизоры, к которым мы привыкли, имеют пропорцию (ши- рины и высоты) 4:3. Новые, особенно же прожекторные HDTV-приемники, имеют, как правило, пропорцию экрана 16;9 — это так называемые wide screen TV. Желая смотреть обычные передачи по телевизору с экраном 16:9 в полный экран, зритель получит вытянутое в ширину и поэтому слегка ис- к;:.,:а1111' И' а.,г г г.?,и,г.: ..г. Iii11и - км. ьс! /У? J-11. .1.-ЫI ::зы уже имейл возмож- ность при необходимости менять формат изображения, те. на экране 16:9 получать изображение 4:3, па экране 4:3 16:9, н при этом часть экрана в обоих случаях будет обрезана соответственно или по бокам, или сверху и снизу. Установлено, чтч» изображение ТВЧ ио количеству содержащейся видеоинформации превосходит применяемые системы практически вдвое, а по яркости красок и богатству деталей но много раз. Звук в ТВЧ-систе- мах — стереофонический. Тенденции развития телевидения. Ла современном этапе научно-тех- нического прогресса будут происходить дальнейшее совершенствование и полномасштабная интеграция видсон и формационных и телекоммуника- ционных технологий для предоставления требуемого спектра стационар- ных н мобильных мультимедийных услуг связи широкому кругу пользова- телей. Важным аспектом н развитии телевидения является разработка новых систем, улучшение их качественных и количественных характерис- тик. Эго касается дальнейiiiciu сонерп1снгтнона]1Ш1 самих устройств о тоб- ражения двумерных и объемных цветных TH-изображении. Основное развитие видеоинформационных технологий и систем веща- тельного и прикладного телевидения будет связано с решением научно-тех- нических задач, включающих: • разработку новых подходов л принципов формирования, передачи и отображения видеоинформации, предусматривающих новый этап развития по сравнению с классическими решениями в области телевидения прошло- го столетия; • разработку более высокоэффективных методов компрессии видеосиг- налов и их цифровой видеозаписи; * создание новых методов и устройств канального кодирования н моду- ляции ТВ-сигналов, для того чтобы в стандартной полосе частот канала связи можно было передать большее число исходных сигналов вещатель- ных ТВ-программ; 69
• Ы IL-. l| : -I I I II.- Illi’ I '.I I< l-.’i: •. II. :: (l Ц11(| l| .<1 :: ’ r I 1,11 1(11111 | HI 31 |l >|T: ЦП :J'.|. I I. : * внедрение систем объемного и многоракурсного вещательного и при- кладного цифрового телевидения; • создание различных прикладных ТВ-систем управляющего, информа- Ц1ншно-измерите1м[:ого и распознавательного характера с высоким разре- шением, в том числе для видеонаблюдения объектов в рамках заданной ме- стности, района, региона, отдельной страны или в планетарном масштабе для контроля и мониторинга стационарных и движущихся объектов окру- жающей 1Ы . В создаваемой глобальной информационной инфраструктуре особое ме- сто занимает многофункциональная иптсрак тинная видеоинформационная система. Ее предтечей но праву считают телевизионные системы. Именно аволюция составных частей телевизионной системы сделала возможным выход телекоммуникаций на новый качественный уровень. Так, телевизи- онные аппараты в результате конвергенции преобразуются в многофунк- циональные терминалы, обладающие множеством различных функций. Назовем некоторые свойства современных терминалов: интерактивность, возможности передачи медиаметр nil ной информации, мобильного исполь- зования, мультимедиа, доступа к цифровым арх и нам и др. Терминалы долж- ны обеспечивать дистанционное беспроводное управление всем информа- ционным комплексом абонента. Источники сигналов программ (видео, звук, данные) многопрограммного телевидения, ТВЧ, стереоскопического телевидения, компьютерного телевидения объединены в модуле вещания, включающем различные технические средства подготовки и формирования программ. 1.2.9. Мультимедийные системы Мультимедийными системами называют объединенные средства пере- дачи, приема и обработки информации, быстродействующие компьютеры с мощным программным обеспечением и широкополосные и высокоскоро- Г I ,:..:г .111111111 CBMi II Му. ПЛ l!.\IC; ..111111. Г-1 rilCJTMil I IIO( T'UIIJ (l." I 1,1 -. и II 1:1 I В В Г I/.- ный телеуп]>авляемый комплекс графику, звук и видеоизображения, обра- батывать их, передавать и принимать в реальном масштабе времени (геа/ time). Технология организации обмена информацией между такими систе- мами осуществляется через сеть Интернет. Системы мультимедийного на- правления сейчас бурно развиваются и открывают новые возможности раз- вития в глобальном масштабе мировой культуры, искусства, медицины, обмена информацией и др. Повышение скорости передач информации в радиорелейных и волокоп- но-опти ч еск i1 х сетя х увел ичи вает one рати в > н н‘ i ь фу нкционирован ия i ак > । х (пегим. Па агон основе создают иди: и (истинные виды телекоммуникацион- ных систем ниртпупльнай pca.ihtitnini.t ( т.е. без физического присутствия че- ловека), открывающие новые возможности систем связи в городах. Одна из них — система виртуального осмотра различных объектов и помещений, предназначенная для обслуживания потребителей информации. Основу такой системы составляют скоростные компьютеры с необходимым про- граммным обеспечением вместе с проводными, волоконно-оптическими, радиорелейными линиями связи и линиями с выходом на ИСЗ. 70
C' i;nii>nn ri'n еянможным в реа. гЕшом масштабе нрсмгнн из кнарТИр оемц- rpiiiutTb выставленные на продажу ]ж;1.:111Ч111>1Г объекты и здания, получать харак герце । hi.ii iг;дг "нii сорговых iipe.urpni 1111. ;;i x*:ri *:-i11i:i i'> гонары н ма- газинах, изучать цены, посещать библиотеки, музеи и выставки в разных странах, а также проводить видеоконференции, выполнять вычисления на удаленных компьютерах, осуществлять дистанционное обучение в других институтах и странах. 1.3. Современные системы подвижной связи Одной из наиболее быстро развивающихся отраслей связи сегодня яв- ляется подвижная связь, использующая как наземные, так и спутниковые системы, Особенно быстрыми темпами развиваются сети сотовой связи. Согласно последнему отчету ООН за 2014 г, мобильной связью пользуется уже более половины человечества. По классификации МСЗ, системы по- днижиой сиял! относятся к системам беспроводного .к Л”1 у ня абонентских линий. Основным признаком питом fieri 1]и>1М)Д1Н>п> дентуиа як.'1яется на- личие |)зли|]кз11,1.'1г1 на а 6ое пятком участке. На нервом этапе развития телекоммуникаций е; начале XX к. электро- СИНИЕ, гоидаЕзалась КЗК морская подвижная снизь. В те годы Этот вид связи являлся единственно возможным для Организации связи судов между со- бой ц с берегом, Еще до 1904 г, более пятидесяти судов военно-морского флота России было оснащено судовыми радиостанциями. Нормальное функционирование системы связи предусматривает обмен информацией и любых службах электросвязи, который должен осуществ- ляться по определенным, заранее оговоренным правилам (стандартам). Сейчас эти правила разрабатываются рядом международных организаций электросвязи. Потребности в средствах наземной подвижной связи для оперативного управления действиями полиции привели в 1921 г. к созданию в США пер- вой диспетчерской системы телеграфной подвижной связи. I (осути по бы- ла система пейджинговой связи, так как имела однонаправленное действие и служила для передачи распоряжений дежурным бригадам полиции. 11а начальном лтале развития систем наземной подвижной связи в них ис- пользовали телеграфные режимы работы, а позже — телефонные режимы с применением для передачи сообщении амплитудной модуляции. В 1940 г. в США в диапазоне ОВЧ создана первая система подвижной связи с ис- пользованием частотной модуляции (см. гл 2). В 1948 г. в США создан и первая полностью автоматическая радиотелефонная система подвижной связи. В СССР серийный выпуск первых систем подвижной электросвязи был налажен в 1952 г. Системы подвижной (часто мобильной)радиосвязи (СИР)обеспечи- вают одновременно связью большое число мобильных абонентов, местопо- ложение которых на определенной территории произвольно. Поэтому практически все СПР построены по методу многостанционного (множест- венного) доступа. Принципы организации многостанционного доступа напоминают прин- ципы уплотнения каналов. В теории связи под многостанционным досту- пом (МД) понимают возможность обращения к одной базовой приемопере- 71
дшошрй станции (Б ПС: tn англ. Hase transceiver station — RTS) или спут- никовому ретранслятору нескольких мобильных станций (МС; англ, mobile station MS', это могут быть абонентский терминал; радиотелефон; мобиль нып телефон; сотовый телефон), когда последние могут одновременно пе- редавать и получать через БПС информацию. Эффективность методов МД в основном оценивается по пропускной способности, быстродействию, используемому частотному ресурсу и дру- гим показателям систем связи. Проблема выбора наилучшего метода МД заключается в нахождении базиса (ансамбля) ортогональных сигналов, при которых обеспечиваются оптимальные параметры и характеристики системы подвижной электросвязи. В радиотехнике и теории передачи ин- формации формирование базисов ортогональных Сигналов основано на разделении сигналов по частоте, времени и форме. В соответствии со спо- собами формирования базисов ортогональных сигналов различают три ос- новных метода организации МД. Мно/асшпнниглиалн доступ С частотным разделением каналов (МДЧР; аналог — " IРК; англ, — frequency division multiple access — TDMA) является наиболее простым по организации работы, при ко тором каждая подвижная станция работает в некоторой полосе частот на отведенном участке диапа- зона. Между рабочими полосами соседних каналов предусмотрены неболь- шие защитные интервалы, позволяющие с 1 ребуемон точностью разделить принимаемые сигналы различных подвижных станций. Однако в любой стране используемый частотный спектр — уникальный стратегический за- пас, и это невосполпяемый государственный ресурс. Многостанционный доступ с временным разделением каналов (МДВР; аналог — В Р К; англ. — time div is'ton tn tikipie access — TDMA) получил приме- нение в системах подвижной связи из-за ограниченности Специально выде- ленного странам и регионам частотного спектра. При таком доступе ортого- нальность сигналов в подвижных станциях достигается выделен нем каждой ИЗ них для излучения или приема сигналов определенного, перио- дически повторяемого временного интервала — ’/'ЛАМ-кадра. Длитель- ность кадра в основном определяется сетевым графиком. I [нгервалы излу- чения сигналов БПС и подвижных станций взаимно синхронизированы, что исключает их временное перекрытие. I]t'] тая спецификация техноло- гии TDMA разработана в американской Ассоциации телекоммуникацион- ной промышленности {Telecommunications industry association) в 198$ г. в со- ответствии с ^Техническими требованиями пользователей* ([ZPR). Эта спецификация в том Же году была Опубликована как стандарт/.?-5^ намно- гостанционнын доступ с временным разделением каналов систем связи. Для повышения пропускной способности сети связи TDMA, как правило, используется совместное FDMA. Многостанциониый доступ с кодовым разделением каналов (МДКР; англ. — code division multiple access — CDMA) основан на использовании ши- рокополосных или шумоподобных (pseudonoise) сигналов (обоим вариантам гоо । вг if I isyri аббргнни iyp;i ПИК ). JS гиг ir.\i;i.\ мобп. 11,, ч i гзя.ь: rran.Lapia CDMA используются все преимущества и частотного, и временнбго разде- ления каналов. Во-первых, сигнал имеет большую длительность, распреде- лен во времени, и поэтому пиковая излучаемая мощность много меньше, 72
чем при FDMA и TDM А, хотя средняя moihfiih’Ui пдин;1К1ищ. Во-нгорых, при сигналах большой длительности net крутых и мощных фронтов импульсов излучения Третье преимущество - системы стандарта CDMA позволяют вводить множество кодовых комбинаций, обеспечивая почти идеальную скрытность переговоров и помехозащищенность. Однако реализация кодо- вого метода многостанционного доступа к каналу связи сопряжена с опре- деленными техническими трудностями, связанными как с проблемой син- хронизации в работе всех абонентских станций, так и с выравниванием по МОЩНОСТИ CHIILL'JOH, JJpLIlIHMHiWLHLX биЗОНОМ lli IJ1J Д. J1 (' 11 C I [('. I bJO ИСК.,1Ю'П?ИИЯ I Н]ДП1Ь1Г]|]1Я C. i;i6()l<j C'E-II EIJL'IM СИЛЬНЫМ, Отметим, что методы разделения одномерных сигналов уже рассматри- вались. В спутниковых системах связи используются различные методы многостанционного доступа с пространственным разделением (МДПР; space-division multiple access SDMA) по направлению прихода радиоволн (применяют двулучвную приемную антенну, к которой подключены два приемника с одинаковыми полосами частот, что позволяет осуществлять одновременный доступ к спутнику из двух разных точек па Земле) и их пространственной поляризации (polarization-division multiple access - PDMA). Существующие системы подвижной связи можно разделить на пять групп: 1) системы сотовой подвижной связи (ССПС); 2) профессиональные системы подвижной связи (IJCIIC); 3) системы персонального радиовызова (СНРБ), или пейджинговые (от англ, paging — письменное сообщение) системы; 4) системы подвижной спутниковой связи (СПСС); 5) системы бег jjpout>дпых телефон он (СБТ). Веч1 111гречиЕ:/1С1111Ы[1 системы подвижном связи построены на ОСнПне СО- ТОВОЙ концепции и работают но определенным протоколам. 1,3.1, Системы сотовой подвижной (мобильной) связи В 1946 г. исгледонагельския лаборатория Bell laboratories (компания /4У-& Г, г. Сент-Луис, штат Миссури, США) создала первую сеть мобильной связи. Это была простейшая шестиканальная (т.е. с шестью несущими час- тотами) система связи с одной БПС для передачи и приема абонентских со- общений. Эта сеть связи строилась так: на самый высокий небоскреб в го- роде установили антенну, к которой подсоединили передатчик большой мощности. Масса первого радиотелефона составляла 30 кг, и для работы он требовал наличия у абонента аккумулятора большой емкости и генератора постоянного тока, поэтому «мобильники» устанавливались в автомобилях. Переключение абонента между каналами связи в поисках свободного осу- ществлялось вручную. Радио переда гчЕ1к позволял пассажирам или полип’..но связаться с АТС и совершить звонок. При атом телефонное общение было симплексным — нельзя было слушать и говорить одновременно. Чтобы позвонить па радиотелефон, приходилось сначала звонить па телефонную станцию и затем сообщать номер оператору. Такая система связи поддер- живала 23 пользователя одновременно и предназначалась для бизнесменов, переезжающих из г. Нью-Йорка в г. Бостон. 13
ПОСКОЛЬКУ данной Системе гнязп был oil scде и ограниченный частотный р(!Су]>С, тО нОны 111 (111 и । - к(111 ч (!< г н; । (>о< vi ужи наел i ы х пб() 11 с е е тс > н трЕ iiн ihh.i io i i ] и i- II<E|)HE[<H1HjI ИНОГО уНСЛ11Ч(!ЕЕНЯ 4IIC. LI НССУЩИХ ЧЩГГЕУГ ПЭЗОВОЙ СТЭНЦИИ. А ДЛЯ СВЯЗИ был ны делен диапазон С фиксирован fieiI мн частотными кин злам и, Задача Снижения массы И габаритов успешно peciia.'iacb по мере бурЕгогп развития Элементной базы, н частЕНМ’ги создания биполярных т|кп 1зисго- рОЕ1. Проблему ЗффеЕГ1ПН1Н1С1И HCIHC'lLyOHailHJI ОГрПНИЧЕ'ПНИГО ЧАСТОТЕ ГОТО ресурса удал ось решить путем разработки сотовой концепции системы СВЯ- ЗИ, Идея СОТОВОГО принципа ОрГЯЕЕПЗаЦИН СЕ'ГГЙ подвижной связи оылр вы- двинута в 19-17 г. сотрудником лаборатории Bell Ijiboraf.onns Д. Рингом и ееказалась простой: вея обслуживаемая зона (территория) связи разбива- ется на (:оты — ячейки (в идеале — правильные EiiccTiiyro-TEii шки; гое голо- го я такой re in напоминает пчелиные соты — от англ, cell — откуда и пошло сегодняпнн'Е! na.iHrbi।не готовых телефонов) с повторным использованием частот в каждой из них (рис, 1.27). Это значительно повышало эффектив- ное гь частотного диапазона, что в с явно очередь vrse.'iiininsa.'io емкость сис- темы. В центре каждой ячейки уе гаеелили кается маломощная базовая при- 1'мо1Н'релаю1 цая станция с одной ii.'hi некоторым определенным набором :1(<|цнх г;к.:то1 (kiLiia.rins tihi ini. дос ы I : । ч 11 i.i'-.I для veaanois. юн еея абонент- ской СВЯЗИ Согласно предполагаемому трафику, БПС с помощью пр[И«)д- пой, рад пока na.ibiioii связи или но.'1оконно-оеп'1ге<л'кой линии связи под- ключаются к выходуг сотового терминала, который соединен с телефонной сетью об ЕДЕ'го пользования. Рае. 1.27. Построение сотовой системы подвижной сняли Через 20 лет данная идея нашла свое воплощение в сотовых сетях по- движной электросвязи общего пользования. Внедрение подвижных сетей электросвязи начинается с 1970-х гг., вначале в США. а позже в западноев- ропейских странах, Японии и других регионах мира. Благодаря их созда- нию новые услуги подвижной электросвязи стали доступными для сотен миллионов людей многих стран мира. Отметим, что физически в сотовых сетях связи радионокры гне какой- либо территории осуществляют ячейками, антенны Ы1С которых имеют круговые диаграммы направленности. 11 тем не менее реально связь осуще- ствляют фактически по сотовой модели. Дело в том, что пересечение сосед- них окружностей происходит по хордам, которые в идеале и образуют шес- тигранные ячейки — соты (см. рис. 1.27). В связи с тем что любая ячейка имеет небольшой радиус действия, допустим 1—5 км, одна маломощная
БПС будет уже обслужина! ь меньшую территорию, и нпзтому ее moihiiottii (i,;:i, и \к г । и и :<’ ii> ’ e. I | ; 11 ) можс: 6-, 11, cinrj;i n;:.. I’r;,. ibiio мои.: ос i, i.;i.i;- дои БПС Ж1ЖШ’ быть умеЕЕЫпена в десятки и co i n и раз, однако их суммар- ная мощность, естественно, велика и соизмерима г м ощ 11 ост ено ОДНОЙ Круп- ной БПС, которая («бел ужинал и бы ту же территорию. Заметим, что наряду I' информативным и сигналами БПС налу чает та к называем ыегтижж-с-м^мй- лы — гпециал ьпые нем Одул ирона иные ИЛИ иные колебания. Измеряя и срав- нивая ।ш.:'|от-сигналы От ратных БПС, МС выбирает наибольший. БПС г круговой диаграммой направленности антенн осуществляет пе- редачу Сиги а. ’I а иди маковин мощности практически но кругу, что для або- нентских станций в соседних сотах эквивалентно приему помех со всех на- правлений. В :пим случае особенно мешаюшее дейггние приему сигналов о пазы на к я взаимные помехи ни гон падающим гасго' 111,1м каналам гпм/- jjcwcttj, Дли избежания воздействия со канальных помех соты С Одинаковым набором нееуЕцих частот нещ'межаюг буферными СЕГгами г другим набором частот. Группа сот в acme обслуживания с различными наборами частот называется кдйгслтс/млч, а число частот в наборе — раэмер- епитьhi кластера. 11а рис. 1,27 жщшеями линиями выделена сотовая струк- тура с размерностью кластера п = 7. Чтобы Снизить общий уровень инте])ф[']1С1Щ11О1Н1ых помех ОТ СОСеДНИХ сот и абонентских устройств, а также помех от посторонних источников г lei, । р:1м;:Г11п I non:, излечении {ИМИ), па БПС m гильз', с: । я многогск[[епн1- ЕЕая направленная антенна, поиноляюЕцая делить общее пространство радио- ।н’рекрытия на отдел ыгые сектора. Антенна БПС с секторной диаграммой ЕЕанракденпости (ДП) излучает практически всю энергию передаваемою сигнала в задашкш 1131 |]>аЕ>Л СИНИ, а уровень боковых ИНД учти Illi сокращает- ся до минимума. Секторное построение пеггсегее БПС поит сияет многократ- еео применять набор частот при олнонремснном снижении уровня гокл- ЕЫЛЬНЕЯХ [Юмех, В зависимости от числа действукшеих н ячейке абонентов, нагрузки И Элек громагп И111Е1Й обсТа11Е>НКИ Era местности используются антенны рни- Л и Ч Е ГОИ КО I I < [) И Е"У рн [ [ ГЕ И И [ГНИ МО] К ГН, 1 f J Е11 б| ]Л Ь1 [ IV К Е Е'М КЕ К ЛЬ 116ЦЧ11ЩЧ 11 ВЗСТ < Ч П11 - вая модель системы связи, содержащая четыре БПС с 1пестыо бО-Етнщусны- мн антеннами (])нг. 1,28)- Из сгруктурион cxc.MEii ситтимы данной модели Рис. 1JIS. Модель ССПС с 12 группам в частот 75
следует, что каждая частота используется дважды в зоне, состоящей из че- тырех Б1IC (четыре соты выделены жирной линией). Благодаря такой мо- дели построения каждая из четырех Б ПС н пределах зон действия шести 60-градусных антенн в одной ячейке может работать на 12 группах частот. Нее сото fibre системы связи с повторным набором частот разрабатывались с учетом требования — координаты местоположения мобильного абонента заранее неизвестны и непредсказуемы в пределах заданной зоны обслужи- вания данной сети. Благодаря высокоточной автоматической регулировке коэффициента усиления выходных усилителей мощности передатчиков Б ПС эффективность секторного перекрытия близка к 100%. Одной из основных проблем при разработке систем сотовой связи явля- ется обеспечение непрерывной сняэи но время передвижения aooiu'iroi ь зоне обслуживания. Для ее решения сотовая концепция включает в себя принцип эстафетной передач и (ha nd оff сопровожде ине; handoi er х -я щовер) пе- реговорных сигналов из ячейки в ячейку, вследствие чего абонент может вести разговор, свободно пересекая границы сот, автоматически переклю- чаясь с одной БИС па другую. Современные хон до веры бывают двух типов: • внешний — когда меняется БПС, через которую идет связь с сетью; * внутренний — когда во время разговора меняется канал приема/пере- дачи. Обычно внедрение сотовой сети связи начинается с развертывании не- большого числа крупных сот с радиусом действия 1—35 км, получивших названиемпкрисатп. Когда нагрузка в ячейке достигает уровня, при котором существующего числа каналов недостаточно, эта сота разделяется на более мелкие с пониженной мощностью передатчиков БПС и МС. При этом мак- росотовая структура постепенно трансформируется в сеть с более мелкими го /у.: ( ,ц г а i г об. iu п'м их чпг им и радпхтом . гштвия го 11105 \г. а пропускная Способность сети на территории региональной ячейки возра- стает в число раз, равное числу вновь созданных сот. Такой способ преоб- разования сотовых сетей связи называют расщеплением. В этом случае мощшм । 1П |п д:г1 чнкоп I j I К ' viiiiu.ri.iri я спи' больше. .’1ц; I г погиб - ления повторяется, пока сеть не достигнет расчетного значения пропуск- ной способности. Микросоты предназначаются для трафика, отражающего медленно jJcpt'AiiiiJ'aHiJLLiixiii па т?болынш? рагстоя 111 III 11-111 стоящих або- нентов, находящихся на улицах, в помещениях, аэропортах. Принципы построения микросотовых и макросотовых сетей существен- но отличаются. Создание небольших сот приводит к сложной проблеме, когда абонент н быстро движущемся транспорте н течение одного сеанса связи проходит через несколько ячеек. Это вызывает рост числи переклю- чений между БПС. В этом случае непрерывность связи обеспечивается спо- собностью МС передавать связь тем БПС, в зонах которых он оказывается в данный момент. Центр коммутации системы на основе непрерывных из- мерений сигналов БПС, ближайших к движущемуся абоненту, определяет момент его пересечения границы двух сот. После этого центр переключает разговорный канал из первой ячейки во вторую за столь короткое время, что сохраняется непрерывность разговора. Второе отличие связано с трудностями прогнозирования условий рас- пространения радиоволн на небольших обслуживаемых системой связи 76
Территориях, Длч :->’1ти’[» гребу клея зшектронные карты sktiiiikiii. тошпрд- фия структур улиц, строений и т.д. Если в какой-.1 и би ячейке или группе сот график начинает существенно превышать расчетное значение, ее разде- ляют на ряд более мелких ячеек — пикосот — с радиусом обслуживания 1(1—КМ) м и 1Н111н;кг1111О11 мощностью передатчиков БПС, При пропу- скная способность сети увеличивается в число раз, равное числу вновь об- разованных пикосст, Как правило, при микро- и пи косого вой структурах построения сети надобность в применении эстафетной перелечи абонента и многократном использовании частот опписают. Бурное развитие современных «связи их & технологий позволило начать осваивать новую концепцию построения С СПС, связанную с использова- нием в БПС иптгтлектцалнннсх антенн (sm/irf-antf-nnas) на основе фазиро- ванных антенных решеток (ФАР), автоматически перестраивающих сваи диаграммы направленности на мобильные станции. Наиболее эффектив- ными оказались адаптивные ФАР, реализующие макетпильный коэффи- циент усиления антенны в направлении ведущего переговоры мобильного абонента и обеспечивающие минимальный уровень соканальных помех в приемнике. Интеллектуальная ФАР состоит из ряда элементарных излу- чателей, объединенных микропроцессором с амплитудными и фазовыми анализаторами принимаемых сигналов. По результатам анализа амплитуд- ных и фазовых соотношений сигналов, поступающих на элементарные из- лучатели от МС, сигнальный процессор определяет направление оптималь- ного приема и формирует требуемую диаграмму панряпленноетн ФАР. 11ервоначалЕ>но развитие получили аналоговые системы (стаццарты) сото- вой связи: так называемое первое поколение, или IG (от англ, first generation). К ним относятся североамериканский стандарт/ШР5, скандинавский стан- дарт AA/T-ISO (первая сеть, внедренная н Российской Федерации; 1991 г.) и ряд других. Следующим этапом развития ССПС стало создание цифро- в ых си сто м вто рп го [ to кол ения (2 С); в СШ A D - A MPS и об1 цеевро! 11 йс кин стандарт GSM. Знаменательной вехой в развитии систем сотовой подвижной связи яв- ляется 1989 г., когда фирмой Qpalcamm (США) была завершена разработка новой цифровой системы второго поколения, использующей технологию CDMA. Эта технология в несколько раз повышали эффгктииностъ iicjjo.jji- зования спектра в сотовой связи и позволяла создавать сети весьма боль- шой емкости. В странах Западной Европы, в которых распределение полос частот между разными службами существенно отличается от стран Амери- канского континента, сети на основе этой технологии не создавались. Вник происходило интенсивное развитие сотовых сетей стандарта GSM (от на- звания группы Groupe special mobile — Глобальная система подвижной свя- зи; в 1991 г. аббревиатура GSM приобрела иную трактовку — Global standart. for mobile communications — Глобальный стандарт для подешжнои связи), В России г 1997 г. на основе технологии CDMA начали создаваться сети абонентского доступа. В настоящее время в России в основном применяются зарубежные С СIIC двух стандартов (цифры обозначают диапазон рабочих частот); • цифровые GSA/-900, (?5Л/-18(Ю и два его варианта — DCS-1800 (digital cellular system) и PCS-1900 (personal communication service)-, базируются па п
комбинировании штпда МДТТР С мсгодом МДВР при частотном дуплекс- ном разносе прямых и обратных каналов связи; • цифровая сеть CDMA фирмы Qualcomm (диапазоны 800 и 1900 МГц); по сравнению с GSM обеспечивает более высокое качество связи, меньшие энергетические затраты, но сложна в построении. Все эти системы связи используют модели сот с радиусом действия от 0.1 до 35 км. 1.3.2, Сотовые системы подвижной связи стандарта GSM Система (75Л/относится ко второму jjOKOJitiHinori’ivii готовой связи, в ко- торой использовано комбинирование методов многостанционною доступа с частотным и временным (это основной метод) разделением каналов, и пред- ставляет собой цифровую систему связи с программным управлением. П ней использованы многоуровневая модель ВОС, пакетная система сигнали- ст, in и принципы нос . p::iiiii:i 111. i. ir:.. i .11.1n::ni (th: и н час nioc i и о г. ic- лсиис функций собственно коммутации вызовов от предоставления услуг. Элементы системы способны контролировать вес основные характеристи- ки сигнала в процессе его передачи, а также устранять обнаруженные неис- правности н выполнять множество функций но обслуживанию сети. Стандарт GSM ] iреллнгагт ряд специфических услуг сото но и связи: • использование 5Ш-карты (модуль подлинности абонента) для досту- па к каналу и услугам связи; • закрытый для подслушивания радиоинтерфейс; * шифрование передаваемых сообщений; * аутентификация (удостоверение подлинности) абонента и идент ифи- кация абонентского оборудования (присвоенный международный иденти- фикационный номер и адрес мобильного абонента) но криптографическим алгоритмам; * переадресация вызова; • агтоматиясский роуминг (о т англ, morning — «блуждание») — автома- тическое подключение абонентов к местной сети связи GSM при его пере- мещении в другую эону обслуживания; обычно при перемещен ни в другую стрэпу; * применение «Службы коротких сообщений» (от англ. Service oj short messages — SMS) — передача с телефона на телефон коротких текстовых со- общений; • 5А/5 по e-mail; • подключение Wi-Fi; * конференц-связь; • подключение Интернета и многое другое. Также система GSM предоставляет пользователям следующий набор ус- луг; вызов спецслужб (скорой помощи, полиции, пожарной службы по но- меру 112 в Европе). Система сотовой связи стандарта GSM работает в диа- пазонах 890—915 МГц для передатчиков мобильных станций (линия передачи «инерх», т.п. к базовым станциям) и 935—960 МГц для передатчи- ков базовых станций (линия передачи «вниз», т.е. к мобильным станци- ям — абонентам). Ширина полосы канала составляет 0.2 МГц, что позволяет обеспечивать 124 канала связи в отведенном частотном ресурсе. Дуплексный разнос час- 78
гот' передачи и прием;! одного канала ранен <<5 МГц. Макси малы гая Д!1Л11- н и I . i г:::.: г г . in рад ve ячейки готовой с ргк : ь: '.'I < ; i нет 35 км, .11111г- малмщя — 50- 75 и. Архитектура стоили сети связи cihtoiit и;? |-]iex компонентов (риС- 1.29) — готовых телефонов, БПС н сотовой подсистемы, Сеть имеет it своем соста- ве администритииный цент]} (rifbninixlmlion Center — AfiC), в котором рае- г гл < )жг 11 ы в дм 1111 и ст | таг 11 в i г о - у 11 ] >a вл ph ческ! re < :i] >y к ту pi J. Pirc. Л29. Архитектура и основные компоненты сети GSM Центр управления сетью (w/irai iiicinagement center — NMC) обеспечи- вает оптималЕщое иерархи четкое управление системой, производит эксплу- атацию н техническое обслуживание, а такжеу правление трафиком Сети. Кроме типи, NMC koi г г] юл и руг?т работу устройств автоматического управ- ления и отражает на дисплее состояние сети во нсек jx'rионах для операто- ров этого центра. Опери торы Х'МС в экстремальных ситуациях задействуют процедуру <»приоритетного доступа» для оперативЕпях служб, Центр эксплуатации и технического обслуживания (upemtions nntl irifiin- tenrince center — ОМС) — второй основной узел сети, который осуществля- ет конт]юлL качества работы системы и управление ег элементами, ОМС производит обработку аварийных сигналов, оповещающих обслу- живяеощий iic:)ci:'ii;i. г и prr.ic" onpyr i сш гс-ая о m iiriipainior I их и ап.глпй- EiEsix ситуациях в других устройствах Сеги. В функции ОМС такжЕ’ езхо/гят: управление поступающим трафиком; сбор статистических даннЕ>1х о на- грузке Ei узлах сети, запись их н компьютер уирг-шления и вывод на дисплей ;Ь'1Н анализа опс!]тг]'орам11. О Л/С управляет нп]н'11]юграм.мированием паке- тов обеспечения базы данных сети. Функциональное сооружение безлич- ных элементов системы осуществляет ряд интерфейсов. Центр коммутации поднижной связи (MSC — mobile services stvir.ijhirtg center) является игновной чаггъю подсистемы коммутации (switching xub- sytstem — 555), входящей в цс'итра.и.ный г<’| i.xi ыл сети, M.SC представляет со- бой nirre[>(|)riic между фиксированными г. i:ibhi,i.mii сетями: P.STW (ТСОП), РОХ7, fSDiV. Данный интерфейс обеспечивает все hh.eesi соединен ин, связан- 73
ПЫХ с MCNHVIhHbrMIl ciii II ЦП Я МП, МЛ] 111 1])уТИ?Ш1 [И HI И >4 1]ЩВ.'1(Ч иве НЫ зонами мобильных абонентов. На MSC возложена также функция коммутации ра- диоканалов, к которым относится эстафетная передача при перемещении абонента из одной ячейки в другую, Л/5С составляет статистические дан- ные, необходимые для контроля работы сети связи, формирует систему расчетов (биллинг) по состоявшимся вызовам и переговорам, поддержива- ет процедуры безопасности доступа к радиоканалам. Одной из важных функций MSCявляется регистрация местоположения подвижных абонен- тов н передача управления соседнему MSC при переходе абонента в другую зону обслуживания. Процедура региг рации местоположения мобильной станции обеспечивает вызовы перемета ютимся абонентам от других по- движных абонентов или от абонентов телефонной сети. Центр коммутации подвижной связи отслеживает местоположение мо- бильных станций, используя регистр положения (Лоте location register HLR) и регистр перемещения (visited location register — VLR). Регистр HLR представляет собой банк данных об обслуживаемых абонентах и содержи г международный идентификационный номер и адрес мобильного абонента (international mobile subscriber identity I MSI), кото рый и с пол ьзу ют u i ici lt- pe аутентификации (authentication center — AuC) для удостове]тения под- линности абонента. Кроме того, в регистре HLR хранится часть информа- ции о местоположении мобильной станции, которая находится в рабочей эоне обслуживания, обеспечивая ее своевременный вызов. В нем ведется регистрация ]Юумнп1'Э, включая данные о врошчпюм идентификационном номере мобильного абонента (temporary mobile subscriber identity — TMSl) ii соответствующем VLR. Необходимо отметить, что эстафетную передачу мобильного абонента из ячейки в соседнюю, обслуживаемую тем же MSC (т.е. В его ЭОне обслуживания), осуществляет Один из его кеш тролле]юн ба- зовых станций (base station controller — BSC). В сети GSM соты группируются в географические зоны (АЛ), которым присваивается свой идентификационный номер (A.4Q. Каждый ИД содер- жит данные об абонентах в нескольких LA, Когда абонент персмегцается из одной LA в другую, данные о его местоположении автоматически обновля- ются в VLR. Если старая и новая LA находятся под управлением различных V7.K, то данные на старом VAJ? стираются после их копирования в новый VLR. Текущий адрес VLR абонента, содержащийся в HLR, также обновляет- ся. В целом VLR представляет собой временный банк данных о мобильном эбене! i ic, находящемся в зоне его регистрации. Это исключает постоянные запросы данных о мобильном абоненте п угцюйетие HLR и сокращает вре- мя на обслуживание вызовов. Абоненту сети присваивают стандартный модуль подлинности (subscriber identity moduliе — SIM, или 5/ЛА-карта), содержащий алгоритм аутентифика- ции (riufhf'rrticalinn algorithm), КЛЮЧ аутентификации (individual subscriber authentication key — Ki) и IMS! В результате проверки этой информации разрешают доступ абонента в сеть. Регистр идентификации оборудования (equipment identity register — EIR) содержит центральную базу данных, под- тверждающих подлинность международного идентификационного номера I :Г.. || :-у. .1 ?1. । .1.1 XI. ..nil :l. 111111111 (!!.!">>.• Gf .->{ о I ЩоМ/г MOOf,).- "ip/iir/Ц")!! identity — I MEI). BO
SlNf-Kfipinn, Наличие 5ГЛ/-карты н телефоне значительно упрощает жизнь пользователям сетей G5M, поскольку с ее помощью достигается не- зависимость аппаратов от конкретного оператора сотовой связи. Модуль оформлен в виде банковской карточки и содержит в памяти все иеобходи- м ые дан н ы е, спада иные с иол ио моч ням и а 6t i г гепта и предоставляем ы м и ему услугами связи. С абонентской станцией поступают так же, как с банкома- том: пока в станции нет карты — услуги связи не предоставляются. SIM- карта in/дно. ш<’ । абоненту пил ыюнатьп in бои г ran иней г i nn.upi и (75А/. на- пример установленной в такси, поезде или телефонной будке. Вынув модуль SJM нз одного телефонного аппарата и вставив его в другой, або- нент может продолжать пользоваться всеми теми услугами, на которые он iioniiiica.icn. Использование Л'/.М-карг i юз пол или исключить Tinrii'iiiiiKous/ на сетях подвижной связи стандарта 65Л/. 5/М-карта содержит также крипто- графические ключи н алгоритмы шифрования, используемые для организа ции шифрования данных в целях обеспечения конфиденциальности связи. Эти достаточно сложные в реализации процедуры направлены на борь- бу с несанкционированным доступом к услугам ССПС (fraud — фрод, бук- вально обман, мошенничество) и прослушиванием разговоров пользова- телей, Несмотря на это, существует немало прецедентов взлома сетей GSM, Разделы спецификации стандарта GSM, описывающие меры криптографи- ческой защиты, являл гтся секретными. Однако ест i. мнение, что именно от- крытость в этом вопросе поможет успешно бороться с мошенничеством и н]!1.ю i у шиканием. База данных EIR содержит три списка, где номера IME1 абонентов поме- чены следующим образом: * белый список номера, закрепленные за санкционированными МС; черный список — номера МС, которые украден ы иди им от капано в об- служивании сетью; • серый список номера МС, имеющих нерешенные с сетью проблемы. Оборудование базовой станции (base station system — HSS) состоит из трех основных узлов: транскодера — преобразователя аналогового сигнала в цифровой (transcribe code element — ТСЕ), UTS и BSC. Т]>а нс кодер осуще- ствляет преобразование сигналов речи передающего канала и данных MS С (скорость передачи — fid Кбит/с ИКМ-линисй) к виду, oi i редел немом у соот- ветствующим протоколом стандарта G5A/, Соглас но требованиям стандарта скорость передачи сигналов в цифровой форме должна составлять 13 Кбит/с (полноскоростной канал). Если требуется в заданной полосе передавать по кпн;ыу Н1!ГК1к,'Н1К[> ртЧСНЫХ сообщений В цифровой форме. I ll' надо синишь скорость передачи. Это установлено стандартом, и в перспективе в системе GSM будут использовать «полускпростной* речевой капал со скоростью передачи 6,5 Кбит/с для МКМ-лппии. В протоколах сети G5Af предусмотрена передача данных MSC и речи со скоростью 64 Кбит/с. Это позволяет использовать в каждом канале четы- рехкратное временное уплотнение данных цифровых сигналов. Поскольку один полноскоростной канал ведет передачу со скоростью 13 Кбит/с, то в транс кодере и MSC к передаваемому потоку ведется добавление дополни- тельных пеипформациониых битов (стаффипгование, от англ, stuffing наполнять) до скорости передачи 16 Кбит/с. Таким образом формируется 31
30-KriH;i.'ILfLll[ МКМ-ЛИНИЯ, IIOHHtMIHIOIIVIH ПерС'ДДВЦТЬ 1 20 ])<'4(!IIIJX ХЭНДЛОВ, Rдополнение катим кагалам организуется еще два служебных канала для передачи сигнальной информации н пакетов специальных данных. Абонентские MS служат для организации связи абонентов сети с PSTN. (' । :ni.i:ip :(iv ирг игмо ipriio -Я1 , А/5: мп щ. и, 1-гп к. iac< ;i имсс i вы- ходную мощность 20 Вт и предназначена для установки на транспорте. Вы- ходной мощностью 0,8 Вт обладает карманная модель 5-го класса. В оборудо- вание MS системы введено устройство адаптивной регулировки мощности передатчика, обеспечивающее оптимальное качество связи при изменении расстояния до BTS. Все включенные А£$ постоянно работают в режиме Зе- журного приема (stand-by) па канале вызова Для вызова абонента его зако- ;oi]MMiiiiiniiiii опознана тельный сигнал включается одновременно на всех BTS зоны обслуживания. 1(олучив свой вызывной сигнал, MS подтвержда- ет факт его принятия на ответной частоте канала вызова. После установле- ния агой процедуры ЦКС подключает ва связь переговорный канал топ ба- зовой приеме-передающей станции (ячейки), в эоне которой обнаружена мобильная станция. Если вызов осуществляется подвижным абонентом, то его MS автоматически находит и вводит в связь свободный канал ближ- ,:1и базовой 1111. их: ।1 ii| :i-.: и г: । л ц ii с la-.-.ni. Важным для MSявляется эфирный интерфейс — радиоинтерфейе обме- на между .MS н BTS, поскольку на одной частоте могут одновременно разго- варивать восемь пар абонентов. В сети GSM каналы связи делят на физиче- ские п лихаческие. Передни у [Л'чи и данных к физических каналах организуют кадры длительностью 4,615 мс, состоящие из восьми слотов (от англ, slut — разъем). Каждый ело г соответствует своему каналу речи, т.е. во- семь каналов речи передаются в одном частотном канале при полноскоро- СтнОм кодировании речи (при meiycKopiidnoM, используемом /спя иовьине- ния емкости сети, нос потерей качества передаваемой речи, — 16 каналов). Информационный кадр может быть кадром канала трафика или канала уп- равления. При этом кадры группируются в мультикадры, те в свою оче- редь — н суперкадры, а из суперкадров складывается гиперкадр длительно- стью 3 ч 28 мин 53,76 с, I (еобходимость большого периода ги пер кадра объясняется требованиями шифрования данных. В аппаратуре системы ис- пользуют эквалайзеры (от англ, equalizer — корректоры), обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов, амплитуда которых меняется вслед- ствие интерференционных замираний. Служба 5А/5 напоминает службу пейджинга — персонального радиовы- зона. При передаче SMS используется пропускная способность каналов сиг- нализации. Сообщения могут передаваться и приниматься МС. В рамках этой услуги абоненты могут обмениваться буквенно-цифровыми и тексто- выми сообщениями в объеме до 160 знаков латиницей и до 70 знаков ки- риллицей. Передачу коротких сообщений можно использовать в чрезвы- чайных ситуациях или при перегрузке каналов речевой связи. Тарифы па SAYS ниже тарифов речевой связи. Большинство стран приняли стандарт GSM диапазона частот 900 МГц н развивают сети в диапазоне 180(1 МГц (77(75-1800 в Европе) и 1900 МГц (PCS-1900 в США). В настоящее время в Европе, США и России широко применяют стандарт второго поколения па основе систем CDAYA (система 02
Ия пропускная сп1н.'()1инц:гь превышает в пределах гои же полосы член) г г у и 1ЙС'г в у к) [ цу к и [ ро 11 у г к i iy к и-11 ос ч 16 111 1гть с ч? те i i 11 ()ДН1i ж н t и i г няз1 1 611 - лее чем is 15 раз, Сейчас практически везде внедрены системы подвижной связи третьего поколения /Д/7’-2000 (3(7), Эту сеть называют FOMA (JnH'flnm а/nuihila tnul- titne.rlia ficcesa. — свободный доступ к mi тбнльным мультимедийным ресур- сам), Отличительными чертами систем 3(7 являются: * ДОСТУПНОСТЬ услуг СВЯЗИ В Л1об()М МСЧ'ТС и В Любое 1Г|Н.‘МЯ, <*СВЯЭЬ всегда И везде*- (finifrrhi'H', anyt.inif’):, • evnit'c гвгнное увеличен ire номенклатуры услуг, в первую Очередь, ус- луг мультимедиа и беспроводно! и доступа в Интернет; • мобильный доступ ко всем jh'E’vjhhm единого мщюного информационно- го Пространства, интеграция yc. ivr сетей фикси]юнин11оп и мобильной связи; ' гибкий марке । инг. В бол мни пегие цифровых ССПС нс пользуют фазовые или частотные ме- тоды манипуляции как наиболее :>ффек1 пнЕГые ио потребляемой мощности и полосе рабочих частот. ССПС яв-гяеггя системой массового обслужива- ния Со случайным потоком вызовов (описывается распределенном 11упссо- на), Случайной продо. 1ЖИГГЛЕЯ ЮС Г11Ю обслуживай ия (подчинясчся :ЖСПОН1'ЕГ- циальпому paripHyie-'tCHию) и [])пксировапным числом каналов связи. Было бы нерационально пграничив;пъ число абонентов числом каЕгщчов, гак как вероятность того, Ч1Ч1 все абонен ты захотят вос1нь'1ьзоват11ся связью пд| ю- нременно, крайне низка. Потому ССПС строят и;ч раечт'та среднею графика, рассчитываемого как произведение средней частоты вызовов па г]Н'днепи1 продолжительность обслуживания одного вызова. Если тр1афик оказался нып [\ и: абонента >k.”.i-i pcanixi '..уЗ'Ттл л.т.чу (с.ю i '. :i .а. тна и. ;i | ргг:)\ткс- на). При очень больших з^рузках пропускная способность сети может стать нулевой, и Эду ситуац[гк> пазы на ют ко-глопегьи i.f'nn/. На рНС, 1.30 представлена упрошенная структурная схема coEipcMt'iinoni цифрового сотового радиотелефона системы GSM- Приемное угт]юГк гв1) Риг. 130. Структурная схема цифре погн сотоннго радиотелефона ВЗ
радиотелефона представляет собой соединенные последователю ici нена- правленную, достаточно широкополосную антенну и супергетеродинный приемник с двойным преобразованием частоты радиосигнала. Принятый антенной переговорный радиосигнал /через высокочастотный полосовой керЕ1мическнн фильтр (фильтр со стабильными частотными харгнстермети- ками) и малошумящий усилитель (МШУ) поступает па один вход первого смесителя Л приемника. На другой его вход подается напряжение гетеро- дина/ с синтезатора частот (многочастотного генератора со ступенчатым переключением частот). Сигнал первой промежуточной частоты /||Ч выделяется полосовым фильтром на поверхностных акустических волнах (ПАВ), усиливается уси- лителем нерпой промежуточной частоты (У 1(41) н поступает на первый вход второго смесителя. 11а второй вход смесителя подается напряжение гетеродина/ (вспомогательный генератор) с генератора частот. Получен- ный в результате преобразования полезный сигнал второй л ром ежу точной час тоты /^отфильтровывается полосовым фильтром на ПАВ. усиливает- ся усилителем УПЧ2 и поступает па АЦП В АЦП аналоговый сигнал пре- образуется в цифровой код, с которым оперирует ЦСП. Кик npjiiii.it), к таких радиотелефонах кроме цифровой структуры име- ется и аналоговая часть. Антенна од повременно является и передающей, п приемной. Обычно она представляет собой так называемую низкапро- фитную антенну (см. далее). Аналоговая часть радиотелефона включает и себя высоко час гит н ые и низкочастотные передающее и приемное устрой- ства, которые выполнены по классической для любой системы электросвя- зи схеме. Передающее устройство мобильного радиотелефона формирует информационный радиосигнал с достаточно сложным законом модуляции. В режиме передачи созданный es ЦСП цифровой переговорный сигнал по- ступает на аналоговую часть радиопередатчика. Модулирующий сигнал формируется в//(?-ген ораторе, ла который подается колебание генератора частот. С выхода J/Q-геиератора полученный сигнал поступает пл фазовый модулятор, с которого колебание/DW подается на смеситель V передатчика. 11а второй вход смесителя приходит напряжение частоты/,,, с синтезатора частот. Преобразованный сигнал/, через полосовой керамический фильтр lO.jajtri на pci Y.IUpyi'MLIl'i yen. Hi re. II, МОН ОС II ( УМ ). 1.0 1О|Ч:111 у .|?,l:l 1ЯС СИ сигнальным процессором. Регулировка излучаемой мощности телефона осу- ществляется по специальным командам БПС, через которую реализуется связь с мобильным абонентом. Усиленный до необходимого уровня мощ- ности Сигнал частоты/( черни шсюсонои керамический фильтр поступает в антенну, излучающую его в окружающее пространство. Цифровая часть схемы радиотелефона формирует и обрабатывает пере- даваемые и принимаемые сигналы. Она включает в себя ннф]ювой сигналь- ный процессор, память (оперативную, постоянную и другие виды памяти), 5/5/-карту, АЦП, ЦАП, канальный эквалайзер (выравниватель амплитуд сигналов), канальный кодср/дскодср. клавиатуру, дисплей, фотоаппарат, видеокамеру и выход во внешнюю сеть. Логическая часть телефона выпол- няет операции кидирования/дексдирования, сжатия и восстановления сиг- нала, обрабатывает информацию, вводимую пользователем с клавиатуры, и осуществляет ряд других задач. Bd
I ] и iri с'..in 11 с ]1и;зрмГн)гк11 цифровых рг1ди()тс.1сф<т()15 расширили сервис- ные возможности. Среди существенных сервисных возможностей отметим следующие: • наличие кнопки временного отключения микрофона от сети; • наличие оперативной памяти для пов горного вызова последнего абонен- та, в том числе и для многократного вызова (автодозвона) занятого абонента; * наличие долговременной памяти номеров приоритетных абонентов; постановку собеседника на удержание с включением фоновой музыки; • автоматическое определение номера (схема AQH) вызывающего або- нента с отображением на дисплее и звуковым его воспроизведением; • защиту от АО] I вызываемого абонента (аиги-АОН); • запоминание номеров вызывающих абонентов и времени каждого вы- зова; • индикацию вс время разговора второго вызова и его номера; наличие персональных кодов-народ ей; * наличие автоответчика и встроенного диктофона для записи сообщений; * наличие дистанционного управления телефоном; ' КОЗМОЖШН I 2d НОДК. НО'К'ПИЯ I Г. lt| I -a L .-.ОУ . :.Ц I I :)Y .1 bill'll.: ЛИ (напри- мер, Ин тернет через текнадогни Wi-Fi) сети; • возможность принимать и пересылать другим абонентам СМС-сооб- щения; • возможность получать данные о погоде, биржевую информацию; • наличие встроенного цифрового фотоаппарата, видеокамеры и т.д. 1.3.3. Подвижная связь в городах В современных системах сотовой связи используются радиоволны деци- метрового диапазона, которые испытывают сильные отражения от окружа- ющих объектов и подстилающей поверхности. Это приводил' к многолуче- вому распространению радиосигнала. Сложение в точке приема радиоволн, пришедших разными путями и имеющих соответственно разные фазы, но сравнительно одинаковые мощности, вызывает усиление результирую- щего сигнала ДО Ю дБ или, что чаще, ослабление до 30 дБ. Искажения ре- зультирующего сигнала обус:Iоfs.iiшлют меженмнольпую интерференцию. Колебания среднего уровня сигнала при кодят к замираниям. Они бывают быстрыми и медленными. Опасность представляют первые. Для борьбы с быстрыми замираниями используют разнесенный прием и медленные скачки по частоте (slow frequency hopping). При осуществлении подвижной связи в городах имеют место проблемы, связанные с распространением радиоволн. Проблемы возникают при связи БПС с движущимся абонентом, когда сравнительно короткие, но перемен- ные ПО длине линии связи быстро иргкрииынтя из открытых трасс в за- крытые. В этом случае к приемной антенне приходят несколько сигналов с разным запаздыванием по времени за счет неоднократных переотражений волн элементами зданий. При этом уровень принимаемого сигнала испы- тывает глубокие, до 15—40 дБ, быстрые замирания, зависящие от плотнос- ти застройки города. В результате исследований стало ясно, что для элект- ромагнит] пях нолей в условиях городов характерны пространственные интерференционные явления, образуемые множеством волне различными В5
алпглигудами и фазами дифракции на препятствиях и многократных отражений от них. Было установлено, что период пространственных флук- туаций (от лат. flucruatio колебание) сигнала по порядку значений бли- зок к длине полны излучения. Задача о распространении сигналов в горо- дах оказалась многой араметрнческой, поскольку уровни принимаемых сигналов зависели от рельефа местности, высоты антенн передатчика и при- ем ei и ка, плотности застройки, высоты крыш зданий, шири]ты и направле- ния улиц, наличия отдельно стоящих деревьев и лесопарковых насаждений и уличного транспорта, В настоящее время установлены основные законо- мерности распределения электромагнитных полей в городах. При высоте приемной антенны на уровне крыш зданий напряженность ноля убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. При высоте антенн в 3 м надземной поверхностью поле убывает пропорционально 1/Д"1, где число m - 2,9-гЗ для крупного города им- 2,7-i-2,8 для небольших городов. Ос- лабление поля н тени .зданий составляет в 50% случаев 10- 20 дБ в диапа- зоне частот470—670 МГц. Моделирование местности и зданий города позволяет определять лишь средние значения уровней сигналов и не может служить для оценок стати- стики полей ЭМИ в городе. В последние годы были изучены эксперимен- тально закономерности распространения радиоволн на коротких расстоя- ниях по улицам городов, а также внутри помещений и зданий, что позволило создать сотовые системы с автомобилями, пешеходами и связь внутри учреждений па баян ралиог(lice]юн он. Гранки и голые системы подвижной связи. Транкинговые, или профес- сионалы 1ые (предназначены для корпоративных групп абонеЕЕТов бригад скорой помощи, МЧС, ФСБ, полицнн и тд.), системы подвижной связи с так называемым свооооныл и дойным досгадоон мобильных епктццц к общему частотному диапазону позволяют абонентам работать па любом переговор- ном канале сети. В мировых стандартах профессиональных систем подвиж- ной связи метод свободного и ровной) доступа мобильных абонентов ко всем каналам сети связи называют транкингом (ст англ, trunk — ствол). При этом тюбой свободный переговорный канал может быть временно закреплен за мобильным абонентом для конкретного сеанса связи н зависи- мости пт трафика сети. Для этого МС «строены микропроцессоры, позво- ляющие нм сканировать запрограммированные частоты сети, передавал» при каждом выходе в эфир собственный код, код входа в систему и номер вызываемого абонента. С конца 1960-Х IT. ЕЕаЧЕЫОСЬ интенсивное! ]]а;1НИТ11(! (Ч'ТГЙ тршгки II КЖОИ связи — как производственных, гак и систем подвижной связи общего пользования (public access mobile radio РЛМЛ). Абонентам этих сетей пре- доставляется возможность связи не только с абонентами данной сети, по и с абонентами ТСО11. Абоненты сетей должны иметь связь независимо от своего местонахождения и возможность выхода наТСОП. Это особенно необходимо для служб безопасности. Особенности транкинговых систем: весьма незначительное время установления связи между абонентами; воз- можности осуществления группового вызова абонентов, установления не- посредственной связи между терминалами абонентов без использования БПС сети связи и т.д. В6
До 1995 Г, СОЭДЙнЭг'шсь аналоговые трап кип новые* счк гемы, к которых пере- рвал ИС11 ClHTiajlhl Т(ЬК!<|нШИ]-| II I ipilMCI I H.IEIE'I, ЧЯГТОТ1 1аЯ МОДуЛЯЦИЯ, 11 ] Hf> ина но. юсы одного канала ci к’танляла 25—30 кГц. Значительной вехой в ]кышггии гнетем транкинговой связи явн.шен разработка спецификации МРТ-1227, которой рУКОНОДГТНОНЦ-'ГИГЬ МНЕНИЕ* фирмы 1ЦН1 выпуск? оборудования, В последнеедесятилетие XX в, н США и Европе бы.'1н разработаны цифро- вые гнете мы т] та и кип го ной связи; TETRA — Тгппх Eumpetm t.ntnkml ratlur, !Е)ЕХ' — hutigmHifl digital enhrmcetl netTff)k\ EDACS i-.nhfiu<f-d digi/a! art ass system и др. Для стандарта TETRA выделено несколько полос час тот в диапазоне ниже 1 1 Гц, одна пи КОТОрЫЛ (380— 400 МГц) предпязначепя для создания сетей европейских служб безоп не ногти. R гиг геме абонентам предоставлена услу- га ]юумипга. В цифровой систем? арапки и тиной связи TETRA в каждом час- геггпом канале шириной 25 кГц передают спЕпалы четырех абонентов. Таким ООраЗо м, 11 [ । г 111;кг| >a-'i иной ;-н] х ф*кт] 1 в i i < )ст i I ;•/та cueп1 м а в четы pt i | та; за 11 рейс х1 - ходи " обычные ( i:r i емы г час штпой модуляцией. 11омимо iirpt инн речи I! цие|цх ihehi (|)орхи‘ возможна 11Е']ну1ач;1 данных со гкорог гЕяо 7,2—28 Кбит/с, допустимы И ГС КОЛ I. ЕГО уровней Erpi Ю[11 ГЕЕ'Га вызовов, груш новые и С]>0чные НЕ11ИОВЫ, передача пакетных данных, возможенн"гь uri юг руд стнен НОЙ СВЯЗИ между абонентами и тд, РагсмЕпрнм yupotцсиннс диаграммы типичного часового трафика ]заботы и яти канальной транки н твой Системы подвижной связи го средней продо,'1- ЖНТСЛЬЕНТГТЬНИТДНОЕТО ГГЯЕЕГа ПЕ!р(!тВО|)ОВ абопгн гОн 3—5 мин (рис, 1,31), Темны? участки ня риг. 1.31 отражают ситуации, когда кнешлы связи за- ЕЕЯТЕ11 переговорами, ц Светлые— когда они гвехЗодпы. Если (5ыаб|НЦ‘птфик- । ирона ее но закреплялся эй отдельным каналом связи, то рсроятность немсд- леннот доступа составила бы менс(! 0,5, в то в]т?мя как при транкинговом методе* подключения к литбому свободному каналу вероятность так<>п> до- ступа резко возрастает (до 0,8—0,!)). У[|ргнц{'Е1пая структура г])нпкипгоной системы Связи ИЕжазана па рис, 1,32. }’нс. t.31. Дна граммы часового трафика 5-канальной транкинговой сети спялн ат
Рис. 132. Упрощенная структура транкинговой системы подвижной связи В транкинговых сетях реализуются два метода выделения канала або- ненту. [ Ipti нервом методе выделения канала абоненту поиск свободного канала и подачу сигнала вызова производит мобильная абонентская стан- ция, которая осуществляет сканирующий последовательный автоматиче- ский поиск вызывного канала (АПВК). В этом случае перед установлением связи, когда мобильная станция ведет сканирующий поиск свободного ка- нала с применением уст|юйства АПВК, па каждом определенном кайме производится попытка вхождения в связь с базовой станцией с установкой тактовой и циклической синхронизации. Вследствие этого длительность никла установления канала связи возрастает на несколько порядков но сравнению с длительностью при фиксированном закрг пленки каналов за определенными мобильными абонентами. I Гоэтому использование профес- сиональных транкинговых систем связи с АПВК эффективно при работе с 10—15 частотными каналами. При втором методе построения транкинго- вой связи поиск свободного канала возлагается па подсистему управления 1>С. В этом случае для поиска свободного капала используется специальный капал управления БС, через который обеспечивается контроль работы всей сети, включая процедуры установления, обеспечения и прекращения связи. Системы персонального радиовызова (СПРВ). По принципу действия СПРВ — однонаправленная (симплексная) система связи, предназначен- ная для вызова подвижного абоне] ।та на двустороннюю (отложенную па не- которое время) связь по принципу «в любое время, в любое место зон об- служивания, любому человеку >. Важной вехой в развитии пейджинговой связи явилась разработка в 1976 г. протокола POCSAG, принятого в качестве международного. В СПРВ, использующих атот код, информацию можно передавать со ско- ростью 512, 1200 и 2400 бит/с. В упрощенном виде основные технические средства СПРВ можно представить в виде следующих крупных элементов (рис. 1.33); * средства сбора сообщений от отправителей в иейджипг-центре; • средства пейджинг-центра, включая автоматизированные рабочие ме- ста операторов и пейджинг-терминал; • средства передачи сообщений па пейджеры, включая различные ли- пни связи, передающие устройства и ретрансляторы; вв
Рис. 1.33. Основные технические средства СПРВ сервисные подсистемы СПРВ, к которым можно отнести группу под- систем сервисного обслуживания абонентов, а также группу подсистем, пред- назначенных для внутреннего (внутрисистемного в СПРВ) применения. Работу пейджинговой сети связи упрощенно молено описать следую- щим образом. Мобильные абоненты системы связи всегда имеют при себе малогабаритный приемник персонального вызова (пейджер), находящий- ся в режиме дежурного приема. Вся обслуживаемая ерритория охватыва- ется сетью маломощных передатчиков в соответ с г ни и с известной сотовой моделью их размещения (см. рис. 1.26). Эти передатчики с помощью про- водной или радиоканальной связи подключены к выходу пейджингового терминала, который, в свою очередь, связан с 1 елефонной сетью общего пользования. 11ейджинговъ[й терминал преобразует поступившее сообщение н цифро- вой формат соответствующего кода СИРЕ, переводит его в буферную па- мять компьютера и ставит в очередь к ранее пос гулившим сообщениям. Далее закодированное сообщение через сеть всех радиопередатчиков пейджинго- вой системы излучается в эфир. Включенные на прием абонентские пейд- жеры непрерывно анализируют адреса поступающих вызовов. При совпа- дении поступившего адреса с его собственным сообщение принимается, записывается в буфер памяти и высвечивается на дисплее пейджера. При этом о принятом сообщении абонент извещается звуковым и световым сигналами или вибрацией корпуса приемника. Наряду с пейджерами используются малогабаритные двусторонние пей- джеры тввйджеры, или трансиверы (приемопередатчики), передающие подтверждение приема сообщения и краткую ответную информацию на ба- зовую станцию. В 1992 г. была создана общеевропейская система ERMES (European radio message system), работающая вш >.ч( >се час п п 169,4 169,8 МГц. Эта система обеспечивает общеевропейский роуминг и высокую скорость передачи сиг- налов (6,25 Кбит/с). Опа позволяет создавать сети очень высокой емкости для передачи разных видов сообщений, включая текстовые. В 1993 г. для СПРВ был разработан протокол FLE.Y. обладающий повы- шенной помехоустойчивостью и имеющий набор возможных скоростей пе- редачи сообщений (1,6; 3,2 и 6,4 Кбит/с). Основное достоинство протокола состоит в его гибкости он обеспечивает высокую степень согласования с существующими системами СПРВ, в которых применяется протокол POCSAG. Кроме того, пейджеры FLEX за счет синхронного режима работы имеют увеличенный в 4—5 раз срок службы аккумуляторов питания по сравнению с пейджерами POCSAG. Также с системах с протоколом FLEX сейчас введены новые услуги. В9
1,3,4, Системы подвижной eiiyTEiHKCiEsoii СВЯЗИ Перспективным направлением развития подвижной связи общего ноль зования является создание спутниковых систем. Системы подвижной спут- никовой связи (СПСС) начали развиваться в последние два десятилетия XX в. Одной из первых подобных систем явилась созданная в 1967 г. в США опытная система TATS. Данные системы спутниковой связи пред- назначены для орта низании переговоров между абонентами телефонных сетей общего пользования и мобильными станциями, устанавливаемыми на подвижных объектах (автомобилях, кораблях, самолетах и т.д.), а также осуществления персональной подвижной связи на базе сотовых сетей. При использовании персональной спутниковой связи они обеспечивают соединение перемещающегося is пространстве абонента но его неизменно- му (подобно телефонному), закодированному номеру. [3 основу организации спутниковой системы связи заложена простая идея. На ИСЗ (иногда называемом сателлитом) располагается активный ретранслятор СПСС. Спутник находится на заданной орбите и движется над Земле]! длительное время, получая электропитание от солнечных бата- рей, установленных на его платформах, или от малогабаритных ядерных электростанций. На спутнике-ретрансляторе рас положены антенная систе- ма и [ [ри е м он среда к>] пая аппаратура, осущес гвляющие прием, преобразова- ние, обработку (например, усиление, изменение частоты несущей и пр.) п передачу сигналов в направлении земных станций (ЗС) станций связи, расположенных па земной поверхности и предназначенных для обеспече- ния собственно связи. Отмстим, что в наземных системах электросвязи аналогичные станции называются наземными. На рис. 1.34 приведена упрощенная структура построения современной системы подвижной спутниковой связи. Системы мобильной спутниковой связи классифицируют по двум при- знакам: типу используемых орбит и различию в зонах обслуживания и раз- мещения ЗС. В состав сети спутниковой связи входят земные станции (земной и абонентские сегменты) грех видов: • абонентские с ганции (АС) авиационная, морская, сухопутная, пере- носная, персональная: • земные станции сопряжения (ЗСС); • станции управления сетью (СУС). Риг. 134. Упрощенная структура нестроения СПСС 90
Очень часто на схемах земные станции ЭСС и СУС объединяют и обозна- чают как СУС- Кроме' 'ГИ1Ч1, ni<icTH(!HFHH-|iv rnin«mLii'i (ччмси г содержи г ус- трпйгтна, названные nit'jiMuim.mM ЩСЛвуПривДСНиЯ спутником ( Г ГС), ооес- iначинающем эксплуатацию) телеуправление и контрол!? за рабочий гнетем спутнн ка, I Jeiiiiiiv lidio.ii,:wxiых орбит различают СПСС сгн’нучниками, располо- женными на геостационарных (ороита, рассчитанная таким обрДЗОМ,чтобы спутник постоянно находился над одной и той же точкой земной поверхно- сти; для этого он должен не|>емещат|,ся гл г корост 1, ю нрагцения Игм.еи, т.г. по период обращения ранесг 2 ! ч; высота 36 000 км; рис, 1,35, «), hi>icieko.-e. i.ihie- гических промежуточных и низких земных о] 16 игах (7«waarth Ofbit — LEO), Последние называются системами СВЯЗИ па ЕЕ113К1Ю|)6|!Т;|-,Н1ЕЕЕ1ГХ СЕгутЕем- ких (ныСОТЙ орбит ИСЗ 200— 700 км). Рис. 135, Спутннкопие системы связи; а — геЕ№гациоиарЕ1ая орбита спутника; б— система Inmarsat^M Системы подвижной связи на низкоорбитальных спутниках позволяют создать на поверхности Земли плотность потока мощности электромагнит- ных колебаний, достаточную для работы с легкими абонентскими станция- ми размером с портативную телефонную трубку, и дополняют сотовые си- стемы связи. Наиболее распространенной системой спутниковой связи является глобальная сеть связи Inmaisat-M (рис. 1.35, б), предназначенная для обслуживания подвижных абонентских станций. Сеть Inmanat-M обес- печивает связь практически с любой точкой мира, позволяет подключить компьютерную сеть Интернет, факс и ряд других устройств передачи циф- ровых данных. Космический сегмент системы связи базируется па геоста- ционарных спутниках, расположенных над Атлантическим, Тихим и Ин- дийским океанами. II настоящее время с пути икс пая связь все более переводится в плос- кость персонального обслуживания подвижных абонентов. Энергетический баланс линий спутниковой связи до последнего времени не позволял уменьшить абонен тскую станцию до размеров сотового телефона. Однако применение спутников, находящихся на пегеостационарных ор- битах, в том числе । Еизкоорбитальных, позволяет значительно уменьшить габаритные размеры и массу абонентского терминала. Это создает преиму- щества перед геостационарными и высокоорбитальными спутниками 91
и ini;tn<). iiii' r разработы н;пъ СПСС <’ i icpcii пильным и ]»хди<1телс‘с|)о п.ши тина сотового, снабженными ненаправленными антеннами, При этом сущест- венно уменьшаются затухание сигнала на трассах Земля - спутник и спут- ник — Земля и его запаздывание в каналах связи. Для сравнения отметим, что время задержки сигнала у геостационарных систем спутниковой связи составляет около 300 мс (это заметно по разговорам корреспондентов на те- левизионном экране, когда они ведут репортаж через спутниковую систему связи), а у низкоорбнтальных — нс более 200 мс. Такое уменьшение запаз- дывания сигналов способствует дву хе качковому (двукратному) метолу пе- редачи сигналов через спутники, СПСС с ниэкоорбитальнымк ИСЗ обеслечнпают достаточно широкие функции и обслуживании абонентов; они позволяют организовать теле- фонную персональную связь с подвижным абонентом, находящимся пне зоны действия телефонных сетей (сотовых и пр.). Кроме того, они широко внедрены к морских службах спасения для радиоопределения местополо- жения объекта, электронной почты и т.д. Проект современной спутниковой системы основан на международном сотрудничестве, в котором участвуют и российские компании. 13 проекте орбитальной группировки спутниковой Системы радиосвязи используется до 70 п|у|никс>н-ретраис.1яторон, распо- ложенных на 4—8 орбитах. Любой спутник трупп ирг нищ своими лучами формирует несколько наземных сот связи. В совокупности один ретрансля- тор создает на Земле подспутниковую зону диаметром примерно 4500 км. Полная орбитальная группировка формирует практически сплошную спут- никовую эону связи, покрывающую всю поверхность Земли. [ 1э отечественных сетей космической связи наиболее перспективной яв- ляется система Сигнал. Космический сегмент системы связи Сигнал вклю- чает 45—55 спутников-ретрансляторов, находящихся на орбитах высотой 700—1500 им. Спутники ]мс положены небел мнима группами (3 5 штук) в определенных плоскостях неба так, что при движении по заданным орби- там они узкими диаграммами направленности своих антенн совокупно формируют сотовую структуру заданной зоны обслуживания. Помимо упомянутых систем в ряде стран разрабатывают другие проек- ты систем спутниковой подвижной связи общего пользования, а также спе- циализированные системы спутниковой подвижной связи, предназначен- ные для контроля над состоянием и местоположением транспортных средств, обеспечения связи в чрезвычайных ситуациях, осуществления эко- логического и промышленного мониторинга и т.н. Некоторые из них уже реализован ы. 1.3.5. Системы беспроводных телефонов Для систем беспроводных телефоном (СБТ) (беспроводного доступа) ха- рактерны высокая плотность и незначительная скорость перемещения або- нентов (до 10 км/ч), а также возможность использования на обслуживаемой территории множества базовых станций безопасности создания взаимных помех. Системы беспроводной связи работают в пелицсизируемом диапа- зоне частот, а следовательно, при построении нет необходимости к частот- ном планировании п координации с другими сетями, работающими в том же диапазоне. Системы беспроводных телефонов стали составлять конку- 92
£6 ишиьт?к'сс<1 шонэыздшХЙ олоннэнэсЫ naiXii цинэт^ооз chcL\»d-i[[ yf/. jn,j IIUIIJlIHltlOJ L!lil!Vi)di)ll II l.i ГС» H1С111 51 < j t\ 11?K,>L I IV.. >111 l-i I. jl.lllM I л ru i ri.i ru L’L r 11111, n v. :('.! J г 'I г.:. si (| f| 11V i .: „ di xul.i <.?ni ,;j | .1.1иЛич1лш.)и xew,U)ii.j >] v.vjyyz/oi uiutlfuni) /rj/irfyi) 13'dU ’utl1- H()ll<n|nsi. i).l. XJ'IHVOiHIeIlI diSIJ I'Jfdd.JII.) Hirsi()ll(])llll HIIEl.LEICJI'dtlLld I'l.'I'HI y 'V’.i и (у »— у) hhIihIO.J HWJOCUQ 10 B.LHOHCQt Ki.’l.' илiidliiuoiiO eJ.lOJeiJji i!it.»nthi ni.'l,' — hieIijoia’I.\)[. j r L(fj ч— y) nnlnil!i> homokI'iji Si 11n'tiellm_.» iHEU'iimg -OH .TjO yHHOTTTQOOJ &J.OW11 Hhtilj'orloii hi.'I.' .i.t)iXt:4i,THi;»n i/tJhiHliih eiieI.'o и.д'нгм я II И I l»)E.411.'E!1!tL IW.ME'I. И < 11 [ (%’[ -’Hll) »El.'li111 ГЛ WOVUiBK tl 0ОЕСШИЭ nftt>(WfyU n iurtmilu naimmrttl ((jVtj) i>uiuirnmhf oiidikiixhcIii or -140 (irflllEjSl I1EL llJSI 001 Oil JOlCrtlh HOJOli'OII J tHIJ,'!! 11ГМ 0^) J J ’ Xl.'KllHlE ,s.i.[lirl.'i nr.i.i я ' и и naliigiH».) ElmOiidiE eesi.i .яе.н.ч .MiiihXir ii sioilono.iOdOii 4.i.joiriii“Rti-!]i -Hi)li'm|lH()5l Г!111ШМ|1НИНЯ|[ jrlljO l]IJW S98—кУН 1!IHH!14I!!||Ii' j ЕЗОНОф,II.’,).[. XI4H -l.OtHKLill.Sy .|.([|Г1/1 ПГ.1..3 II()SI(hI(|)H1I dll!3.I..IJ1,)ll,' tl ||,»1Л>ИЕЗ I,*[40 ’.l.l *-0(j0 [ irsilildl Я nt:itsLHKl.i.3t,>].'<-i tHii.'sn пгм xi'iiuxOEriiXV 0g hhIiiihOihh '+IJ.C) яон1н|к)г,).1. xj4лl'(Hlodll:SS0 .L[jt!WE?Jj HriHo.itsri'Hi! iiriiiiiidiiiii_>Eid нОеН'йня i.'riij OiiEi<lti^ я ROlUg WOM O.i<niiH>nlit'?im|)i!.Litil.rji o.nui'iirriHi;)di>ii ]\1ищ!я(>яч1.чи1.)н ;i oihIiiie'.l.i :i:i ) ii.'iriid.O i:i .i’i’iii: r,)(l,)i, 'iiiiriii i oi nio:::! 'idono :.)(1.)] । (||iVlV Vo.i.im; xuli[iHj<tMi,()ii.ni и lij|\ 000 .Jiiorniiriil.' n xnliiiiiir.i.iioinl КНИ -l/oiHKLuJiiy НКЭХЛИд й1ч 11.pi dim XV ОЮТ41ГШ1ОД-0}' tin jillll.'nH.i.J HNHO-iOirllEiE! .......... : г-:I i -r!• । .। ।.i::Г । !: | Я iv in;.;' । /li nt гг 1 ! !:iji !!:гu:• E-iiurr -Л1ГЭОО..........................................С0| OV OH Hail'll,'ян l ,ю i i.LOnO^h mOOi'hiiOe-mmeIi i nt:nti.i ОИОЮИО Ц '(xliElirOtl tl'Ullld.L.IIK HEE HHIIESIjIAHOLEVhiI XE'Itd.I.IIU я ’Il'M) HHlJIiirXV -i/it 11: । - i : । :..hji. : i:,i'! i : -г. и. ill ] |y j< ст \ i: i и :--:i: i :_.:i Г.’ и 'i.:;:ri: .ii....) i'iii {id ii ’Кг ) ТГ1 it ХвНДОЭООД 'XBClHJ.dtjHsi 'itdiiEp xiriHipo ei — XHi-idu.i.ttildOiL xhili4I,'OOOH IJH к и пе!я1 i ж Л i. Joi е ().i<)!E4iiniHE;)tlisi I ki.'I,' чОи1,'т1яОСЧТг01ТОИ 0i4i iIi'<ih()i1ii;>i'hi Hn.i.nnHird l.'<ijid,in urisidoii я i.'.nii! iOn.ul я SimjAd i. tri и шн|мЕги.1.} I1J11IIIH.J..1 Х[13и.1.Н1)И11'уН XLE|EL.I.Ild!i<JEL](>irlllM LIMHliHI>04li‘OIIOl1 heIel *OVfOtl И eV-IOOtlS> ЧКИЯЛ (>lXlLIC)l!ltllLEd!H11(JI] ‘НЯНЯ!) 11(>1 ГЭ]Г^Н<)0е1О|| (HlillllOTl H0M M.LlJSlOf HIOJO<1 .10 -Kl:'()tlt:oil EH)ll()l[ni.'i).L. Xl'IHl/OtHKllLHSIJ EViS.L.JILl 01111 O< llj'O JI (j I IHHEl.j EL.T.I.d.) X Г11[ I >J.C J.) 1111 и:(. i .i: \i:iii1111г:I: :i i 11 ! ,: i: i I'.'ii a । u | f| } c joiI.i .юн nullhhiIjj "II1E1IKI.'.<1?OK IIOII.I.D.I Wh Ol'lll I -ОКОН 0 0g—0^ OeliJOUliVhV m XimjiHMOiil.'cd on 'lihii'hi.Ti.i.OOIiiXoO ИОНЙОф -J.BIMl J HStyAdj. ‘IfKH^J '£[03 I 4 JVOl.'OSIOtlll HOIIJI.JhlHI.Ml.'iHJ Lrit:L!(J .1.0 If 001 ()ir -О.ЧО I.J.Mll.'rd II HOSHjAd.l. lion IHXpdL iS.I.I.HlVlld .) K.FI.[.ELlHEll.ri)dOll OllVtKJOH.'l Xj.lli)IIO(Jl! uhintiHi.'EisitioiL '(rfuoifivvjyy/ifji —L[Jih!iiiiTf j 11чннOifjOVOl WOHVOffOdllJOO н riHdOi E H 1ГИ.1.;lAi i riH -sBITOdOJ E) | » 11 mil иф итг.ч. и i e!m i 1 e Id mi г \ л Д0 j f j ' m ()(ЮI —St x h l-1 -0H4I.^1j¥ Ehl $10.1.1 DEIIHlH HH]jlillH5KAI,'.tt)() Hill I () II II ..H >().)[ I LmH.bl.) mi'ItlEl.LIK) <411111 nil
Идея создания беспроводного доступа (ctfrrJlcss terminal mobility access /tm/ile ('. l/J) cik" । :!:. ы н i o.\i,id н м 111- [ jcj-" । : । иных (Tincsiih об щс: о л:., папин ,io.iжен лгиилыоилгм’я единый терминал, способный работать дома как обычный радиотелефон, а офисе — как подключаемый к базовой стан- ции телефон беспроводного доступа. Современные системы беспроводной связи сети стандарта DECT обладают достаточно высокой скоростью транспортировки сообщений до 552 Кбит/с. При этом в абонентских устройствах используются маломощные передат- чики (до 10 мВт), а речевые кодеки обеспечивают качество передачи речи, близкое к качеству проводной связи. Системы с микросотовой архитектурой на базе DECT способны обеспе- чить высокую емкость сети с плотностью абонентов до 100 тыс. чСл/км1. I (удобные сети наиболее эффективны в городах, однако Они могут приме- няться п и сельской местности, особенно там, где концентрация абонентов до- статочно высока. Не следует сбрасывать со счетов и такие достоинства DECT, как возможность оперативного развертывания сетей абонентского доступа, а также отсутствие платы за использование частотного ресурса (поскольку оборудование DECT работает и нелицешнруеиом диапазоне частот). Домашние мини-АТС. Удобство беспроводных телефонных устройств определило высокий спрос на них частного потребителя. Основной объем поставок DFCr-оборудовэния в России и мире при ходится на системы для дома и малого офиса. Данный факт липший раз подчеркивает ориентацию DECT на рынок потребителей с невысокими доходами. В потребительском сегменте рынка популярны ДЕСТ-системы конфигурации «одна базовая станция плюс одна-две трубки*. Чрезвычайно привлекательна перспектива трансформации беспроводного телефона DECT в «домашнюю АТС* про- стым добавлении дополнительных трубок. Базовый блок поддерживает 5—7 трубок, причем в соответствии с требованиями DECT эти трубки спо- собны работать и в более крупных системах — офисных или системах мест- ной беспроводной связи. Системы местной беспроводной связи, В настоящее время серьезное внимание телекоммуникационных компаний обращено и;, разработку и внедрение в коммерческое использование систем фиксированного радио- доступа к телефонным сетям общего пользования, или систем местной бес- проводной связи (wirvless local loop — WLL). Системы местной беспровод- ной связи (связь «последней мили*) находят широкое применение при обслуживании стационарных абонентов в труднодоступных сельских и ма- лонаселен пых районах. При наличии определенных проблем, связанных с числом обслуживаемых абонентов и их удаленностью от телефонных се- тей общего пользования, прокладка кабельных или волоконно-оптических линий связи становится экономически невыгодной по сравнению с приме- нением радиоканал ьных сетей. Системы фиксированного радиодоступа WLL используются как sped ген- ные или постоянные сети связи, Они не требуют прокладки дорогостоящих медных или нолоконнп-онтнчпекик кабелей, проведения сложных инже- нерных работ и вводятся в строй нечитанные месяцы. Внедрение в беспро- водный доступ цифровой гехнологии позволило значительно повысить пропускную способность и коэффициент использования спектра частот, а также предоставить новые услуги. В результате сегодня цифровой бес- 94
нроиаднми абонентский шлейф is ( чи гояпии конкурировать С медным Кабе- лем в отношении надежности. габаритных размеров оборудования, качест- ва речи и темпов реализации, Для абонентского фиксированного рздиодо- ступа можно использовать различные современные технологии в области связи. Наиболее известными являются две тох пологи и, стан дар. изо ванные Европейским институтом стандартизации в области связи (ЕХЫ): системы стандартов С7'2 и DECT. До настоящего времени оба стандарта использова- ли в основном для бесшнуровой радиотелефонии в офисах с Относительно большим числом абонентов. В последнее время наибольшее применение для беспроводного фиксированное ради ОдОСтуп а находит стандарт DECT. По сравнению с обычной кабельной сетью беспроводная телефонная си- стема WLL обладает следующими преимуществами; * на порядок более высокие темпы ввода в эксплуатацию; малый срок окупаемости (3 4 года) и в 1,5 -2 раза меньше капиталь- ные затраты; • оптимальное решение для пересеченной и сильно изрезанной комму- никациями, дорогами и водоемами местности; простота и гибкость и]и! расширении сети, возможность сравшгтелыю легкой трансформации в сеть мобильной связи; • число отказов WLL составляет 6— 10% числа отказов кабельной сети; * в несколько раз более низкая стоимость 10-летнего жизненного цикла по сравнению с обычными телефонными сетями. Bluetooth (от англ, blue синий п tooth зуб: «синий зуб») техноло- гия бес про водной ближней радиосвязи, позволяющая объели пять ус тронет ва разных типов для передачи речи и данных. Стандарт получил обозначение /ЕЕЕ802.15, Он определяет работу па несущей частоте 2,4 ГГц со скоростя- ми передачи информации 722—784 Кбит 'с и расстояниями до 100 м. 1,3.6, Системы воздушной подвижной связи Профессиональные системы воздушной подвижной связи начали разра- батывать еще в 1920-х гг., однако первая коммерческая национальная сис- тема воздушной 11сдвижной связи общего пользования Airfoue бы. ia создана в США лишь и 1980 г. Данная система предоставляла возможность пасса- жирам самолетов устанавливать и поддерживать через размещенные и а территории страны БПС связь с любым абонентом сети ТСОП, Уже тогда прямо во время полета пассажиры могли решать п]юблемы, связанные с за- казом такси, гостиниц, билетов на все виды транспорта, вести деловые пе- рс го норы, посылать факсы. В США все пассажире кис самолеты, летающие на впутренних линиях, осшнцены системой Airjorte. В 1992 г. были выделе- ны полепи,। частот 1670—1675 МГц (Земля — самолет) и 1800—1805 МГц (самолет — Земля) для системы связи TETS {Terrestrifil flight lelet отпиши il- iums system), разработанной в ETSf. Система поддерживает Ifpi радиокана- ла и обеспечивает международный роуминг. 1,3,7, Глобальная информационно-компьютерная сеть Интернет Информационно-компьютерные сети по территориальной распростра- ненности могут бьп ьюкальными, региональными и глобальными. Локаль- ные — это сети, перекрывающие территорию не более 10 к иг; регионалъ- 95
им - р;н положенные n;i территории го]н»да и;[ц области; ялобшгыгьн' — на территории государства или группы государств, например всемирная сеть Интернет. В настоящее время в связи с развитием новых технологий типа 117-/1, 117‘ЛМХ и др. Интернет доступен и как инструмент подвижной связи. Стандарты и протоколы Интернета разрабатывает Инженерная про- блем ная группа Интернета (IETF), являющаяся подкомитетом руководя- щего органа сети — <* Общества Интернета* (ISOC). Кроме 1ETF в состав ISOC входит Центр сетевой информации Интернета (/Л70, осуществляю- щим |ит нс । рицин: ip?, и. iOlid I с. icii 11 t .о . ;.i. и i< ।: 11.1111 i: м i i i ic|j- >| ?м я i ц i-: h i : i .^i - ус- луги, i юдкомнтет Исследовательски н центр Интернета (/RET) и Координа- тор работы Интернета отвечающий за единую систему адресации. Основой современного Интернета являются два главных протокола; прото- кол IP — межсетевой, обеспечивающий только доставку информации по за- данному адресу, и протокол TCP, обеспечивающий надежную доставку ин- формации, сохранение порядка следования пакетов, качества передачи информации. Разработка стандартов Интернета относится к 1980-м гг., в конце которых и начале 1990-х гг. начался бурный рост Интервета, обус- ловленный рядом причин, в том числе коммерцизацией сети. Бытует мнение, что у Интернета нет единого хозяина, я то ;-гго нечто по- добное общественной организации. На самом деле это далеко не так. Напри- мер, ZE7F при надлежит ряду комп;.:й, в число которых входят U.S. Robotics Aserid, Telecommunications, Microsoft п др. В настоящее время число пользо- вателей Интернета в мире превысило 3 млрд, из них более 90 млн абонен- тов находятся в России. 1.3.8. Технология LTE Сейчас наиболее массовой технологией беспроводного широкополосно- го доступа является LTE. Технология LTE основное направление вволю- ции сетей сотовой связи стандарта 3G. Эта технология была внедрена Меж- дународным партнерским объединением TGPP/3GPP/ в январе 2008 г. Фактически стандарт LTE относят к pre-4(7, i е. предварительной версии стандарта 4-го поколения, его внедрение является перспективным направ- лением развития современных используемых сетей. Можно выделить сле- дующие основные элементы стандарта LTE(рис. 1.37); * eNodeB (cjVZJ) — базовая станция сети стандарта LTE, • UE (user eguipmeri) — пользовательское оборудование; * Serving SAE gateway или Serving gateway (5GH7) обслуживающий и».поз сети LTE\ предназначен для обработки и маршрутизации пакетных данных, поступающих в подсистему базовых станций или из нее. 5GW име- ет прямое соединение с сетями второго и третьего поколений того же опе- I 11 г ц ч i и унрщ uiti i :i| n-. in ly гог.ннк hi hi h них но трнчлням ) худин - пия зоны покрытия, перегрузок И т.п. В 5(?й7 нет функции коммутации каналов для голосовых соединений, гак как в LTE вся информация, вклю- чая голос, коммутируется и передается пакетами; * Public data network SAE gateway, или просто PDN gateway (PG IV) Щ.ТЮЭ к сетям передачи данных других операторов для сети LTE\ основная задача /’СИУ заключается в маршрутизации графика сети LTE к другим се- тям передачи данных, таким как Интернет, а также сетям G5Af; 96
ftw?. 1.37. Структура сети стандарта LTE * Mobility management entity (MME) узел управления мобильностью сети сотовой связи с гандарта 1ТЕ\ предназначен для обработки сигнализа- ции, преимущественно связанной с управлением мобильностью абонентов в сети; * Horne .subscriber server ( ILSS) — сервер абонентских данных сети LTE — олли данных, предназначенная для хранения данных об абонентах; кроме того, HSS генери pytrr данные, необходим ыс для осуществления процедур шиф- рования, аутентификации и т.н.; сеть LTE может ВКЛЮЧЭТЬ ОДИН ИЛИ не- сколько f/SS; число НУ5 зависит от 1,€О1’рафнческой структуры сети и чис- ла абонентов; • Policy and charging rules function (PC KE) — : меме] it сети сотовой связи LTE, отвечающий за управление начислением платы за оказанные услуги связи, а также за качество соединений. Основными целями создания стандарта LTE можно назвать наращива- ние возможностей высокоскоростных систем мобильной связи, уменьше- ние стоимости передачи данных, возможность предоставления широкого спектра недорогих услуг. LTE отличается от 3G повышенной емкостью, лучшим использованием частотного спектра и меньшей задержкой, кото- рая может снижаться всего до 5 мс для небольших пакетов. Повышение скорости передачи данных означает и повынишие качества поставляемых услуг, cii особетнует распространению (хнцм’менных мультимедийных сер- висов (видеозвонки, социальные сети, мнопнюлмокательские игры, ви- деоконференции, интерактивные онлайн-прнложения и др,). Технология LIE на данный момент является самой эффективной с точки зрения ис- пользования ресурсов оператора за счет их динамического перераспреде- ления и балансировки нагрузки. LTE обеспечивает пропускную способ- ность и быстродейстЕще. необходимые для того, чтобы эффективно обслуживать быстро растущий график данных: согласно прогнозам к 2016 г. количество абонентов мобильных широкополосных сетей достиг- нет 5 млрд человек. 97
i.3.9. Беспроводные cimh четвертого поколения Беспроводными сетями четвертого поколения, как правило, считают технологии 4G, к которым относят также технологии беспроводной переда- чи интернет-данных Wi-Fi. U'jA/ЛХ. Технологии 4G. Сети поколения 4G (от л\\\'.л.Juuilh— четвер- тое поколение), основанные на Я'-прото коле (/Лб — /Р версии 6), стали внедряться во многих странах с 2010 г Главное отличие сетей 4G от 3G за- ключается в том, что технология первых основана на протоколах пакетной передачи данных, в то время как 3G соединяет и себе передачу как голосово- го трафика, так и пакетов данных. Из основных преимуществ систем 4G мож- но выделить высокие скорости передачи данных (превышающие 100 Мбит/с подвижным и I Гбит/с — стационарным абонентам), сравнимые с наземны- ми сетями; возможность передачи высококачественных звука н видео; объ- |-i.n:i: пне } нуницнх гi;hi, up:оь гнятп (2G. 4G. Ц',Ц'ММЛ' и др.) в единый совместимый стандарт. Основная потребность в мобильных системах 4G возникла в результате необходимости расширения технологических возможностей и решения сер- висных проблем мобильных систем 3G, которые tie способны удовлетворить потребности к мультимедийном обслуживании. На сегодня проект мобиль ных технологий 4G — концептуальная структура универсальной глобаль- ной высокопродуктивной сети радиодоступа, имеющей все возможности интеграции с проводной пакетной сетью. Проекты мобильных систем 4G также шмноляют на гноен технологической базе интегрировать нес при- быльные секторы телекоммуникационного рынка; голосовую связь, мо- бильный доступ в Интернет, конвергированные решения с другими типами сетей, прежде всего с беспроводными сетями абонентского доступа (U'LAjV). С точки зрения прикладных режимов главным отличием сетей 4G стано- вится высокий уровень персонализацин услуг и мобильных терминалов. Профили услуг гибко настраиваются на характеристики мультимедийных режимов на двух уровнях: операторском и пользовательском. Разнообразие сетевых режимов и условий обслуживания будет полностью изолировано ОТ пользователей путем реализации концепции виртуальной домашней среды VHE (virtual home environment), Б системах 4G значительно возрастет роль программных средств is повышении эффективности и универсализа- ции мобильной связи. Новые алгоритмы модуляции/демодуляции будут разработаны для высокоскоростной передачи сигналов (технология OFDM). селективной компенсации эффектов замираний сигнала (fake-при- ем ее и ки, скачкообразное переключение частоты), помехоустойчивого коди- рования и т.н. Большие надежды разработчики связывают г методами программируе- мых радиотохшЦ'югий (\о_/7птгг« radio), дальнейшим развитием цифровых Г1ННЯ.1Ы1ЫХ процесс о] ю» (ЦСП; digital signal processor — DSP), параметри- чески управляемых систем. С целью повышения спектральной эффектив- ности и пропускной способности радиоканалов в системах 4G применяют интеллектуальные антенны, в частности адаптивные антенные решетки ААЛ (.adaptive array antennas) п метод множественных антенн (multiple input, multiple output Ml МО). Такие антенны должны в системах 4G дать значительный выигрыш и уменьшении мощности передаваемых сигналов. 9В
Системы 4G будут 11])471<Н'ГЛНг']ЯГЬ мультимедийный услуги н широком диапазоне параметров: 2 Мбит/с для движущихся объектов, 10—20 Мбит/с для con)вых сетей, 20 40 M6iгг/с для беспровод} 1 ых локальных сетеii WL?LV, свыше 100 Мбит/с для специальных классов радиосистем (теоретически скорость может превышать 1 Гбит/с), работающих в диапазоне 40—60 ГГп, Сети связи 4G на основе стандарта LTE способны работать практически по всей ишриш- спектра частот от 700 МГц до 2,7 ГГц. АГЕ обеспечивает те- оретическую пиковую скорость передачи данных до 326,4 Мбит/c от БПС к пользователю идо 172.8 Мбит/с в обратной направлении. Технология Wi-Fi (беспроводной Интернет}. Технология Wi-fi (сокра- щение от ант. i. wirieless fidelity, что переводится как «высокая точность бес- процентной передачи данных») — гонременпая беспроводная технология со- единения компьютеров в сеть или подключения их к Интернету (скоростные варианты этого стандарта). Wt-fi разработан консорциумом Wi-Fi Alliance. Стандарт Wi-fi позволяет предоставить высокое ко рост пой доступ ко всем ресурсам сети Интернет (электронная почта, интернег-сер- финг, /CQ и т.д.) с ноутбука, смар фана или айпада в зоне покрытия сети Wi-Fi. Технология обеспечивает одновременную работу в сети нескольких десятков активных пользователей, скорость передачи информации для ко- нечного абонента может достигать 54 Мбит/с. Такая беспроводная сеть позволяет передавать и получать информацию через Интернет при помощи радиосигнала. По сути, этот сигнал почти ничем не отличается от радиосиг- нала. с которым работает сотовый телефон. Беспроводную сеть U7-Fi мож- но подключить к глобальной информационной сети, тем самым обеспечить беспроводной 11нтернет в любой точке помещения. Сети Wi-fi обладают рядом существенных преимуществ по сравнению г кабельными сетями: • масштабируемость (легко изменять размер и топологию сети); * отсутствие строители но-монтажных работ при построении сети. Существуют несколько стандартов, в которых работают сети Wi-fi. Са- мые популярные из них — IEEE802,11 ft, b ng. Они работают ни частотах 2,4 или 5.5 ГГц и обеспечивают скорость соединения 11 и 54 Мбит/с, Прямая и обратная совместимость стандартов позволяет устройствам разных стан- дартов успешно работать друг С Другом, Wi-Fi может использоваться для доступа в Интернет на расстоянии в несколько километров. Как правило, од]la точка досту!га ноже г обес11ечить радиус дей irni 1 я до 100 200 м. IГ omii мо домашних, кабинетных и офисных сетей, Wi-fi получил широкое распро- странение в ('ф[’])[' организации публичного доступа в Интернет. Хот-енот (от англ, hotspot - горячее пятно: точка беспроводного доступа в Интернет в публичном заведении) в университете, конференц-зале, ресторане, кафе, кинотеатре, гостинице, аэропорту, вокзале, школе, бизнес-центре дает лю- бому абоненту возможность подключиться к сети при помощи ноутбука, карманного компьютера или смартфона {smartphone: по сути гибрид мо- бильного телефона и карманного компьютера), оснащенного Wi-Fi-адапте- ром (большинство ноутбуков и айпадов оснащены встроенным беспровод- ным адаптером; для остальных можно использовать PCMCIA-адаптер). Имея такое устройство и точку доступа к Интернету, можно навсегда за- быть о многих неудобствах. Возможность проверить почту, заказать номер 99
в гостинице черни Интернет или еюг1ю.п,.и шиться nnTi']iin,4’-rc.|K‘t])onnrii все- гда будет в точках доступа; в аэропорту, гостинице или кафе. Обеспечение безопасности информации в сетях U7 Fi. С точки зрения бе- зопасности уязвима не сама технология Hi-Fi, а операционная система НФи/овя. Беспроводная сеть Wi-Fi была спроектирована для обмена файла- ми между компьютерами, А защита файлов осуществляется поверх сети, К сожалению, с приходом новой технологии появляются новые угрозы бе- зопасности и конфиденциальности информации, 117-/7 задействует прото- колы защиты WFP и H'FA. Теоретически хакер может войти в зону Wi-Fi и попытаться прослушивать то, что у вас идет по беспроводной сети, как и любой радиообмен. Но в отличие от радио данные по Wi-Fi поставляются закрытым способом, чему способе; г пуст WFF-]iiiii[][>c)E3aHHir( Wired Equivalent, Privacy — защита, эквивалентная секретности) — характеристика стандарта 802.11, которая используется для обеспечения безопасности передачи дан- ных. Она идеи । ична протоколу безопасности в кабельных локальных сетях без применения дополнительных методов шифрования. Более современ- ный протокол защиты WB4 проверят пользователей сети через сервер и за- действует 128-бит ныв ключи шифрования и динамические ключи сессии для обеспечения защиты беспроводной сети. Фаервол (Firewall) — барьер, отгораживающий вашу собственность от злоумышленников, который может быть аппаратным или программным. Для среднестатистического пользователя Wi-Fi правильно сконфигуриро- ванного программного фш'рЕю.та должно быть hi юл не достаточно. Большой популярностью пользуются программы WtwTOn Firewall и Zone Alarm. ,1.1 И ID. . 1:1 II |k ,.!). , 11,1 ..Illi U'.: 11;, ,.;i|| . II'-. I-.. i . " Up. .1 Di;:: ла WEP. Эти протоколы позволяют администратору беспроводной сети оп- ределять для к<Оед,ОгО пользователя набор ключей, основанный пи г /т/род/' ключей, которая обрабатывается алгоритмом шифрования. . Любой ио.тьзО- ватель, не имеющий требуемого ключа, не может получить доступ в есть. При включении WEP все станции получают свой ключ, который применя- ется для шифрования данных, прежде чем последние будут поданы па пе- редатчик. Если станция получает пакет, не зашифрованный соответствую- щим ключом, он исключается из трафика. Подключение Wi-Fi по выделенной линии скоро перестанет доминировать, И ХОТ-СПОТЫ захватят города, как некогда это сделали БИС. Технология Н7ЛМЛ', Это технология широкополосной беспроводной связи, которая обеспечивает высокоскоростные соединения на больших расстояниях даже При отсутствии прямой видим ос ти обм'кта, на отражен- ном сигнале. Сеть основана на стандарте IEEE 802.16, который также назы- вают Wireless MAN. Технология *WiAf/L¥» (Worldwide interoperability for microwave access — -«Всемирное взаимодействие сетей для беспроводного доступа в микроволновом диапазоне*) была создана для реализации так называемой связи «последней мили*. WtAfAX позволяет осуществлять до- ступ в Интернет на высоких скоростях, с гораздо большим покрытием, чем у сетей Wi-Fi. Это позволяет использовать технологию в качестве магистраль- ных каналов, продолжением которых выступают DSL и выделенные линии, а тагасе локальные сети. В результате подобный подход позволяет созда- вать масштабируемые высокоскоростные сети е рамках целых городов. 100
Принцип работы ДОгЛ/ЛА. И общем виде се ти WiMAX состоят ин следую- щих частей; базовых и абонентских станций, а также оборудования, связы- вающего базовые станции между собой, с поставщиком сервисов и Интер- нетом. Для соединения базовой станнин с абонентской используется высокочастотный диапазон piiniioriij.-iii от 1,5 до 11 ГГц. В идеальных услови- ях скорость обмена данными может достигать 70 Мбит/с. 1ИЛ£4А применяет- ся как для решения проблемы «последней мили*, так и для предоставления доступа it сеть офисным и |xiiioiiiibiM сетям. Между иизонымн станциями усганавл иваются соединен и я (прямой вид и мости), испол i -зуклцие диапазон частот 10 66 ГГц, скорость обмена данными может достигать 120 Мбит/с. При этом по крайней мере одна базовая станция подключается к сети про- вайдера с использованием классических проводных соединений- Однако чем большее число БПС подключено к сетям провайдера, тем выше ско- рость передачи данных и надежность сети в целом. Структура сетей семей- ства стандартов IEEE 802,16 схожа с традиционными сетями GSM (БПС действу юг на расстояниях до десятков километров, для их установки не обязательно строить вышки — допускается установка на крышах домов при соблюдении условия прямой видимости между станциями). Фиксированный и мобильный варианты U7AMA. Набор преимуществ присущ всему семейству ДОШЛА', однако его версии существенно отлича- ются друг от друга Разработчики стандарта искали оптимальные решения как для фиксированного, так и для мобильного применения, во совместить все тргбошигия н рамках одного стандарта не удалось. Хотя ряд базовых требований совпадает, нацеленность технологий на разные рыночные ниши привела к созданию двух отдельных версий стандарта (вернее, их можно считать двумя разными стандартами). Каждая из спецификаций ДО?АМА онредс.инт свои ]жбочие диапазоны частот, ширину полосы i рншуСкЗння, мощность излучения, методы передачи и доступа, способы кодирования и модуляции сигнала, принципы повторного использования радиочастот и прочие показатели. Л потому ДОШЛX-системы, основанные па версиях стандарта IEEE802.16 в и d, практически несовместимы, Стандарт 802.16-2004 (известен как802.16с? и фиксированный ДОШЛА), Используется ортогональное часто! пос мультиплексирование (ОЯЖ), поддержи наелся фиксированный доступ в зонах с наличием либо отсутст- вием прямой видимости, Пользовательские устройства представляют со- бой стационарные модемы для установки вис и внутри помещений, а также PCMCIA-карты для ноутбуков. В большинстве стран под эту технологию Отведены диапазоны 3,5 и 5 ГГц. Многие аналитики видят в ней конкуриру- ющую или взаимодополняющую технологию проводного широко полосно- го доступа DSL. Стандарт 802.16-2005 (известен как 802.16с и мобильный ДОШЛА). Это новый виток развития технологи и фиксированного доступа (802,16г/). Оп- тимизированная для функционирования мобильных пользователей перс ня поддерживает ряд специфических функций, таких как хэндовер, idle mode (режим ожидания) и роуминг. Применяется масштабируемый OFDM-до- сгуп (SOFDMA), возможна работа при наличии либо отсутствии прямой видимости. Планируемые частотные диапазоны для сетей Mobile ДО'ШЛА; 2,3—2,5; 2,5—2,7; 3,4—3,8 ГГц. Основное различие двух технологий состоит 101
1ГПЙ1, Ч[<н|н!КСИр[1НИ1111Ы]1 U'i’jWAX IHIl+IH finer (жилужи НЧ TIj ТОЛЬКО статичных абонентов, а мобильный ориентирован на работу с пользователями, пере- двигающимися со скоростью до 120 км/ч Мобильность означает наличие функций роуминга и «бесшовного* переключения между базовыми стан- циями при передвижении абонента. В частном случае мобильный U7AMX может применяться и для обслуживания фиксированных пользователей. Сравнение Wi-Fi и Wi&fAX. Сопоставления Wi-Л и НЪИЛХ — далеко нс редкость, поскольку эти термины созвучны, название стандартов, на кото- рых основаны эти технологии, похожи (< гандарты IEEE, пби n;ri и плотен г ^802?-), а также обг технологии базируются на беспроводном соединении и используются для подключения к Интернету, Нс несмотря на это, техно- логии направлены на решение совершенно различных задач, Wi-Я н HW/1X имеют совершенно разный механизм quality of service (QoS — ка- чество обслуживания), Wi-Fi использует механизм Qp5, подобный тому, что применен в Ethernet, при котором пакеты получают различный приори- тет. Такой подход нс гарантирует одинаковое QoS для каждого соединения, ИчА/ЛУ использует механизм, основанный на установлении соединения между билоиой стчнцт'й и устройством но. 1ь;ювд юля. Каждое соединен не основано на специальном алгоритме планирования, который может гаран- 1 ироватъ параметр (2р5для любого включения, U'j-f-ji — система достаточно близкого действия, покрывающая десятки метров, которая применяет нелицензированные диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Обычно пользователи используют Wi-Fi для доступа к их собственной локальной сети, которая может быть и нс под- ключена к Интернету. Wi'A£AX — система дальнего действия, покрывающая километры прост- ранства, которая использует лицензированные спектры kh ioi (хотя воз- можно и । к* . ।। пдд । г: I- 11 г-.. .11 д-i 1,-н 11 i-oi-Hi 1111 io ч чиг i и i) д. ы и:хдисыв. rinii: соединения с Интернетом типа точка-точка провайдером конечному поль- зователю, Разные стандарты семейства 802.16 обеспечивают разные виды доступа — от мобильного (схож с передачей данных с мобильных телефо- нов) до фиксированного (альтернатива проводному доступу, при котором беспроводное оборудование пользователя привязано к местоположению). Если НчА/ЛХ можно сравнить с мобильной связью, то скорее похож на стационарный беспроводной телефон. 1.3.10. Технологии ЛЧ7ЛГ Технологии MW(англ, next generation network — сети следующего поко- ления) — мультисервисные сети связи, ядром которых является опорная /Р-сеть, поддерживающая полную или частичную интефэцию услуг пере- дачи речи, данных и мультимедиа. Технологии реализуют принцип конвер- генции услуг ;-ь1ек[рпспяди. Они созданы для того, чтобы преодолеть архи- тектурные ограничения, свойственные традиционным фиксированным телефонным сетям. Это достигается за счет ^организации сетевой архи- тектуры, выделения нового уровня управления услугами, слияния телефо- нии и информационных технологий и использования открытых проток» лов. Кроме того, от этих сетей ждут поддержки новых услуг с добавленной стоимостью, привлекательных как для абонентов, так и для операторов, 102
Tl<)!!iiiv сети включают Fi спой состав все компоненты, необходимые дл.я удовлетворения самых разных потребностей конечных пользователей. Сеть NG’iV открытая, стандартная пакетная инфраструктура, которая способна эффективно поддерживать всю ганцу существующих приложе- ний и услуг, обеспечивая необходимую масштабируемость и гибкость, поз- воляя реагировать на новые требования по функциональности и пропуск- ной способности. Основное отличие сетей ±VGjV от традиционных сетей состоит в том, что вся информация, циркулирующая в сети:, разбита на две составляющие. Это сигнальная информация, обеспечивающая коммутацию абонентов и предо- ставление услуг, и непосредственно пол ьэдвательскис данные, содержащие । юлезную нагрузку, пЩ'днниначснную абоненту (nunc, н и деО, данные)- Пути прохождения сигнальных сообщений и пользовательской нагрузки могут нс совпадать. Сети NGN базируются на J Штерне г технологиях, включающих в себя /Р-лротокол и технологию MPLS (англ, multiprotocol label switching — многопротокольная коммутация ио меткам) — механизм в высокопроизво- дительной телекоммуникационной сети, осуществляющий передачу дан- ных от одного узла сети к другому с помощью меток. 11а сегодняшний день разработано несколько подходов к построению сетей /Р-телефонии. II настоящее время проблема перехода от традиционных сетей с комму- тацией каналов к сетям A'GjVc коммутацией пакетов является одной из наи- более актуальных для сгаератарсв связи. 1 крспективные разработки в области /Р-Коммуннкацнн гкяззны с созданием комплексных решений, ношшляю- щих при развитии сетей NGN сохранять существующие подключения и обеспечить бесперебойную работу в любой сети телефонного доступа: на инфраструктуре медных пар, по оптическим каналам, на беспроводной (VVjiAWX, Wi-Fi) и ।i]ifтодной сч'ччг. Согласно концепции <!н(!ри:фу|наннц(!- го> перехода к ЛGjV подобные решения должны позволять точечно перево- дить отдельные сегменты на новые технологии без кардинальной смены всей структуры сети. В част ееости, решения ДЛЯ <неразрушающего» перехо- да к jVGA'должны отвечать следующим требованиям: • интеграция в существующую сеть оператора, поддержка не только но- вой транспортной технологии, но и привычной модели управления; - hi?. и юс । ыи моду. 1ыюя ;i । |.ч 111 гк :ур;. с гю пюжнос i с мн . roi рлфичсскоЕ о распределения и резервирования; • возможность гибкого увеличения производительности путем приобре- тении лицензий и добавления в систему серверов; • возможность внедрения новых видов yc.iyr в минимальные сроки; • соответствие требованиям законодательства об архитектуре сети. Но в целом концепция перехода от сетей с коммутацией каналов к сетям с коммутацией пакетов на базе программного коммутатора, а в дальнейшем к сети на базе архитектуры IMS (англ, IP multimedia subsystem — специфика- ция передачи мультимедийного содержимого в связи па основе протоко- ла IP) ясна. В структуре сетей NGNприсутствует несколько элементов, представля- ющих собой отдельные устройства или произвольные комбинации в интег- рированном устройстве. Наиболее важными элементами сети ,¥G.Vявляют- ся следующие (рис 1.38). 103
Контроллер ывднашлкл (5Я,О JSUf IP Шлий С11СТ1И..'111:S£I 1111II (5G/MG) |]1лкч t'JirjIU.'liriiUlllll (SG/MG) Терминам! TDM Терминал TDM Puc, 1.38. Пример cent jV6W Медиашлюз (MG) терминирует голосовые вызовы из телефонной сети, сжимает и пакетирует голос, передает сжатые голосовые пакеты в сеть IP. а также проводит обратную операцию для голосовых вызовов из сети IP. В случае вызовов ISDN/POTS передает данные сигнализации контроллеру медиан । л юза, или же преобразование сигнализации в сообщения Н.323 про- изводится в самом шлюзе, Наряду с вышеописанным медиашлюз может также включать функциональность для удаленного доступа, маршрутиза- ции, виртуальных частных сетей, фильтрования трафика TCP/IP и т.н. Шлюз сигнализации (5G) служителя преобразования сигнализации и обес- печивает ее прозрачную передачу между коммутируемой и пакетной сетью. Он терминирует сигнализацию и передает сообщения через сеть IP кон- троллеру медиашлюза или другим шлюзам сигнализации. Контроллер медиашлюза (MGC) выполняет регистрацию и управляет пропускной способностью медиашлюза. ' [ереэ медиашлюз AfGC обменива- ется сообщениями с телефонными станциями. 1.3.11. Интернет-телефония В настоящее время телефонные сети общего пользования, достигнув пре- делов совершенства, фактически начинают тормозить развитие технологии передачи сообщений. Коммутация телефонных каналов, в отличие от комму- тации пакетов, более не в состоянии удовлетворять растущие потребности рынка связи, в том числе и новых услугах и снижении затрат на расшире- ние сетей. Хотя в последнее десятилетие благодаря компьютерно-телефон- ной интеграции отмечен определенный рост в развитии ТСОП, цепа такой интеграции в сети с коммутацией каналов высока. За последние 10- 15 лет телекоммуникационная отрасль претерпевает радикальную перестройку. В начале 1990-х гг. техническая революция перенесла человека из эры тра- диционной связи на основе коммутации каналов в эпоху более совершен- ной технологии передачи речи - пакетной телефонии. 104
Концепция передачи голоса по сиги с помощью urp oiLi. ihiiom компью- тера зародилась в США, В 1993 г. Чарли Кляйн выпустил в свет Мяоеп, первую программу для передачи голоса ио сети с помощью персонального компьютера. Одновременно одним из самых популярных мультимедийных приложений в сети стала CU-SeeMe, программа видео конференций для Macintosh. Израильская компания VocalTec предложила первую версию программы IntemetPhone, разработанную для владельцев мультимедийных PC, работающих под Жн</ош. /Р-телефония - новейшая технология, которая используется в сети Ин- iup]।ет для ]]среда*111 речи. fP-телефония это интеграция передачи даiеееых и сетей телефонии при ведущем положении услуг передачи данных. Таким образом, как сетевая концепция /Р-телефоиия |[|н'лус!илтрив;н'т наличие сети передачи данных, где дополнительной услугой обеспечивается телефония, В обычном телефон пом звонке подключение между обоими собеседни- ками устанавливается через телефонную станцию исключительно с целью разговора, Голосовые сигналы передаются но определенным телефонным линиям через выделенное подключение. Принцип действия телефонных серверов /Р-телефонии таков: с одной стороны, сервер связан с телефонны- ми линиями и может соединиться с любым телефоном мира, С другой сто- роны, сервер связав с Интернетом и может связаться с любым компьюте- ром в мире. Сервер принимает стандартный телефонный сигнал (голосовой сигнал), оцифровывает и значительно сжимает его, преобразует и цифро- вые пакеты данных и on|р;1н.ияег в Интернет С ЗД]>еСОМ назначения. При этом используется протокол Hi [терн ста TCP/IP. Для пакетов, приходящих из сети Интернет па телефонный сервер и уходящих в телефонЕЕую линию, операция происходит в обратном порядке. Для адресата пакеты данных пе- ре труп и ироны наются и декодируются в голосовые г и гнилы оригинала. Обе составляющие операции (вход сигнала в телефонную сеть и его вы- ход из телефонной сети) происходят практически одновременно, что поз- воляет обеспечить полнодуплексный разговор. На основе этих базовых операций можно построить много различных конфигураций. Допустим, звонок телефон — компьютер или компьютер — телефон может обеспечи- вать один телефонный сервер. Для организации компьютерной связи теле- фон (фэкг) - гелефон (факс) нужно два сервера. Заметим, что телефонная сеть была создана так, чтобы таранти ропать высокое качество услуги даже при больших нагрузках. 1Р-телефония, на- против, не гарантирует качества, причем при больших нагрузках оно значи- тельно падает. Существуют два базовых типа телефонных запросов /Ателефонии: с компьютера на компьютер; * с компьютера на телефон. Качество связи /Р-телефоним можно оценить такими характеристиками: • уровень искажения голоса; * частота «пропадания* голосовых пакетов; * время задержки (между привнесением фразы первым абонентом и моментом, когда опа будет услышала вторым абонентом). Анализ показывает, что для получения приемлемого качества речи за- держки в сети должны быть минимальными, а дополнительная полоса нро- 105
щткання, которая требуется для передачи речи н существующих корпора- тивных сетях, ничтожно мала но сравнению с «коммуникационными тру- б(>11]нтодами», Щ!обх<)Д]1М Ы МН ДЛЯ Т]К[| 1<!1П|рТ11]НШКН ВИДНО, ["рафнЧЕИ КИХ фаЙл<}В И ПОТОКОВ ДАННЫХ, порождаемых киб(!рнутеп1ест1«!1[||иками и ни- деоконференциями- Ингсг]Н1ция телефонии и передачи данных — концепция не новая, она легла в ОСНОВУ другой lt.’XIIO,IO] H]l — 75DN, которая ВЫПОЛНЯВ] похожие за- дачи и, таким образом, является потенциал иным копку] л1 игом па телеком- мун икацнон ном рынке. В го же время технология 75TWпринципиально от- личается от /Р телефонии тем, что обеспечивает и hit'['рацию сгтей телефонии и передачи данных при ведущем положении услуг телефонии, Исходя из этого различия двух технологий, а также уровня развития сети И СЛедуСТ ДелаТЪ выбор гой или другой концепции. Технология AWjVвнед- ряется, когда необходимо передать данные НО существующей телефонной Сечи. Если Эта сеть аналоговая, то Элементами внедрения }$Г)Х'оудут; ана- логовая телефонная сеть — цифрою 1зация нерничиой и вторичной сетей - интегрированная цифровая сеть (ИЦС) или ?5D1V, Цепочка внедрения ус- луг /Р-телефонии длиннее: аналоговая телефонная сеть — цифровииация черничной и вгоричпо!! сетей — создание наложенной сети передачи дан- ных - /Р-телефония, /Р-телофсшня приносит с собой новые возможности: * повышается :я:|:1(|н.'кгивноггь использования полосы пропускания ка- налов ЗЙ Счет эффективных алгоритмов Сжатия данных; * ооеснечивдетои будущая ин теграция интерактивных мультимедийных услуг; организуется управление единой сетью передачи речи, данных [г видео; * используются существующие широко применяемые протоколы; • выбирается Cl [ОСОО тедефгт! и [ой свили, предоставляемый конечным ноль- nuia тс. с м .: пи ню. Ian.а ши з тономн i , раем? [ы на межд-, it :-|и: щне иконки, Междугородняя (международная) связь осуществляется с помощью теле- фонных серве]Н1в, организация ил и оператор услуги должны и меть [[О Серве- ру в тех мес тах, куда и откуда планирую гея звонки, Стоимость такой СВЯЗИ на порядок меньше СТОИМОСТИ и.‘.нч|нннкнозвонка по обычным т<у[м|юнным линиям. Особенно велика ата разница для между народных переговоров. Волоконно-оптические линия (системы) связи Волоконно-оптическая линия (система) связи (ВОЛС) вид сетей пе- редачи сообщений, при котором информация передается по линиям связи, которые представляют собой диэлектрические оптические волноводы. Та- кие волноводы называют оптическим волокном. На рис. 1.39 показано простейшее оптическое переговорное устройство. Когда к началу 1960-л гг. появились первые пригодные к эксплуатации Рис. 139 Простейшее оптическое переговорное устройство: 1 — микрофон!; 2.3 — усилители сигнала; I - ВОЛС; 5 - телефон 106
201. Itrrn;? I’BS-njHJ ЦОИЭ9ЫШЮ-ОНН|ОШ№)Я ВИЖ) KUIhIAIIHAiIu БЕИНЛШлТнд '^7 -,/n^ HdlllA.Siill ||<]?| -,)dii11.1.।не H;niliisirAV<)i\ i[<Ki()l.\ri-ini.>'3j.'AiiKn u sioiinii!!5i it.h 1 ii.1 i.“.>'i.rs:ir<L починки -i)dn .1 чякнЭ нглч1,'гляяо.1О1ик Ь[!шн1фи1| i;.llo.m:4 iroi i jii xiixi'.i. у 4|Q H.I.iKHI Э|Ч H Н011О11ГЯЯ Lri.’l!l 1.1 II.) O.IO.S|.)0h]d.LII0 И 1/3.1.) 1 I J“ld jA ri[4ll‘l l.l!il.l..)l I.I1II4 — (jj/) ri[Lt).].!!<Idii.iUijd .шиллинг i-ls.loi hiAhk1 Эк*ОУ iiinitiE!i.;)o.i iionsKtiy {(йнИШГ-] ’M|]) ilo.i.mi‘ХГОШЭИ idi4sioI.'<ci-iiii.)4i.'Aiii<i[ ii .i.i)i!iiA.i.;>i]ii | [ fiXliJh ii'TlJj.iiiJ .i.o.i.c-: и ня -,)dii K3.i.3[!li'jKAiji:twi Клики) <ш)яс).1.ля.> д J t.id.ih o.jisliHiiuiiA.L.ion ivdissi -.l.-lHillfctlN t.'tlll Н!1к1|1.1.ОЯ Я 'VoilVtl.Ultp ИГ[1И»!Я [IIII.'OIUhLi IAIi'UII .|.1ИАИЧ1.ПМ1.1И U£‘O ||Я.[.,)Л1ГЯ <] ’iiidij,>]inil.i.5iisin-: н lii/Hu.i nJ o.Jt»i;><>hid.Lii'U (jjCO) K^l^J ^HOG6diQ09dLI Hi4Hn<)ii.iJdijii>:iki.iHi ..n 111 iijn>::<:<I)чи:I[ 1 joii.i.rdijo kJj.hVohuhihLi i Эян]Ш'Зш1н (j »'’Э1*3<|Ия i«in.rthujj|[) Э ПОё -1ЭАЭЙ1/.1ОЭ (ХЭ) Oh.l^hiicI.l.'ia a; si) ни a.1111,.1 -tl.) Ii L').l..)OII4l.';i.L!!llt]l.ri)HJ1HI CH Al L34l l.'.AI I l\J1 IHAlHll/O.H .1.01 rl.Vl >.) Я1.Ч1М Ч1.\1.1.Г!)ОЯГс1(_Ю -ildll II EdllllHI.-J.^JUJ <ldi:!il.' Н1ЧШГШ1[1|'ОЯ(н1|1Л|Г/11[ — (L1O(l) 4l^JbhH0ClldQOa<i[I Id HU )jhH LI IO-OII ЛО[1.].ЯЗ|/1? ll.iodlkl О.Ч IHHHIII.lt) '.’I J1 I. I. 111.'.! C [. > 11 1111» -,)dli I1.I.IHI II .L.< II 111 I Al.) SO [I (>]Ц) ТЛ.'ОЯ Ч1П).1.!!11Ш!!с1оО,3(]|| 11 (t)LHH Hir-J^}[[.j ) do.LKI/Xl.' -tiK ni44ol'iK4-on;>'ii,'XiiniH Cdd^Ti РПГВН-1МЭ й1Ч1Л'31!нС11'гк1эц 'ИСКИ J HWSijUj ИОДЗЭН -ii.i.mi-oi111о.чо1гоя lliu^xj HfJiiti^.LJTjCdlJ KVHH^TTTChIiia J?nt!fW>i0ii LdHd B[J tl Hl 11! И1< 1оф| I Id Hhlil.'dllllll X fili*T‘l 11!я II Oril.jOIHid<j_LOll ЦЭПТЭО(|0ОЯ 0ИЧ12ИЭ 3 K3<t.i.iLi.iib.i ivriLViil.'oxOOdM OT2B.L3 OJ. ‘(woinin.in.i иичнноф'н.гл.ь ;> <ннл -Isi ill rd.i on id.i_.»c>11cj-ir:><j11.> lhhijliAi ioiJij Lioii.i.vd^^bKJMJ. ti i hoii .i.itAtjSdj кгтужяс! -ooi:i: u.:oiiro dir.rl.' rhsd.'.sd.sii ni;1111i:i и :>:'! i он.si! 'i.i .’tsir-'isr. nu ш.^инонЛчн sio.i.Mdothi хгншНЕ^ЭИЭйЗн к и natl.i.oK.1.) rd А~с1лф.) я ам?. irl.'.so^i iiriin.i ИОГЯНГ.Ч \ :ч 11:: 11 .-.n ,?i riiori .1.41 1 iii.vidtj. nivr.i u.si 111.1.Л0.4 11 iiiv.iih.c ,.s ?.' -ЯС01Ч H]1HJ[II[IH.L<S 0rillllill‘’]IH4 Wtlllll Id 0Г111Н1!Я.1.;Я1КЯОХ i)Ll1l]A.[..)r[l I? ' H.kl.d!!l lll'llltll I oivit:*t(ldl.''Adu ii.j.j.s т1лло([),1].-,1.1. hohimLuiv я no.i.ibtiioijh мчилофл1дм. oi .sii^ IflHiAt!’ IK 1<1Я<).1.|)1[.1 Hiuil'o 4.L!!lA>d0ii oiijkisk Э1ч<1<>иОД '(lij д у ,L3i;ii3{i.Li_;)[j3 ^Ii3?li.in;) uj(uihohkiih;j|i' -1J.1. .i.o.i.,srii r.ioi. oii) initrd.iiHh 1 xi4iiiioni:nHiJiiJ3i AiitSHinruw шГи (lij OfjOk Я1.1111.Н1.) tiioii но||км.г1).1. r;si]i!'i]ii) ii(]il(siio.iK!!il xr[iiiHi[pJir0j. Al/iliiHirii'ni-u niri ir^.i. -]ir:in.omhi j.3Ah.i.;>.i.;ih.i.oo.s o.i.g 'liJJ 000£ iinn0iinnr imhiA'i.xh] o.i. '.шнгол.'оя лоннИ 'i ..:!! ।soi .' il.'oix: oirroiv ; 1 iahi-:Ii: 11 :.h 'hoi iiii.ih.s 1:1.ц?1 isii :i 11.:.ji.1 я riioiiini -UhV 0.1GJ.0 % i ч 11 l n ii" ^1.1.1; 11 и: L11 idi.r;>^[ dij -£ jio.i.;n!h. i.c и Аял.; s.uiii.u it s.> iv м к [ я I4IIIA0H TillldJ.d.r >1.1.АИ.1<|ЭЯО11ЛО |)НЖ<)|\ III,' 1ГН1УЗ 14 B'lh.'lUd 3HJJ33hH.l.jMUni.LII0 '.J.CS.I. -;srii ГНОЯГЛ1Ч11.'' ИЯКЯЗ i)2lll]IXJ.I. И ilMIHIXiS.l.tSIll.'titl Я ll.llHlit)HJj;)lVlldll rilllllllid.l Ol,' -HRLIli'^tlA Hoal.'Kilon оячi.'o.y.SiTii ru лппголе.'оя ;ioH.i.jni.jni4od.].ji3i.r<-: ;s<sii.i.hjdi).кы .и-1 .i.si.r.H iviiiion 11 i. i: 1 .il.'.i;lii 1 .si.) и 11< липil i:i-। ।:! 'i:.i.? Tithori .пчп.ж.А.'гл н
Ос чми'нтн ти нос i роения линейных кодон для цифровых ho. iokoi и киш- гнческнх систем связи заносят от физических свойств среды рлсироетрипс- ин я переда ваемых сигналов. Оптическое волокно, а также источник излу- чения в передающем и фотоприемник в приемном оптических модулях предъявляют специфические требования к свойствам цифрового сигнала. 11 ос кольну импульсные посылки излучаемой оптической мощности могут быть только положительными или нулевыми (известно, что интенсивность оптического излучения является по природе положительной величиной), невозможно непосредственное использование биполярных кодов, приме- няемых при передаче по электрическим кабелям. И наше время оптические линии связи используются очень широко. I [о- лучены и производятся промышленностью световоды с потерями, меньши- ми t дБ/км, что дает возможность размещать перепри см ные станции линий дальней связи на расстоянии 30—40 км друг от друга. Таким образом, мы находимся в пределах нового этапа развития, когда па смену электрону приходит фотон. 1.4. Антенные устройства систем радиосвязи HjinpjiHJU’HHiHTii и:о’|уч(!пия электромагнитных волн имеет большое зна- чение в технике радиосвязи. В общем случае практически любой отрезок металлического проводника, но которому протекает переменный ток, со- здает в окружающем пространстве электромагнитное поле. Точно так же ;. ikii'jiiy ;; i 11 |и: под-1 :п.л. някп г цегги i; .1 I, ki >: 1м;-11111 -| ю т ihi.'it. инду- цируется переменная электродвижущая сила (ЭДС). Уровень энергии эле- ктромагнитного поля, возникающий в проводнике, существенным образом зависи т от его конфигурации, соотношения размеров проводника и д.1.. волны электромагнитных колебании. Поэтому для излучения и приема эле- ктромагнитных колебаний, переносящих информацию, используются спе- цифические устройства, называемые одоленной». 11анравленность излуче- ния можно обеспечить, если антенна но размерам существенно превышает длину излучаемой или принимаемой волны. Портативные антенны мобильных телефонов. Бурное внедрение сотовой связи потребовало уменьшения массы и габаритных размеров телефонных трубок и их приеме] [(предающих антенн. Разработку портативных антенн мобильных телефонов определяют два основных аспекта — приемлемая широкоиодосиость (около 10% относительно значения несу шей частоты) и максимальная равномерность электромагнитного излучения по азиму- тальному углу с высоким коэффициентом усиления. Эти условия противо- речат тому факту, что антенна подносится близко к голове пользователя, которая по электрическим параметрам близка к поглощающему диэлектри- ческому эллипсоиду с размером главной оси,соизмеримым с длиной волны. При телефонных переговорах голова абонента поглощает и рассеивает эле- ктромагнитную энергию, излучаемую антенной, так, что нарушается азиму- тальная (меридиональная) равномерность излучения. Наиболее простой способ достижения равномерного азимутального из- лучения размещение антенны выше головы пользователя. Это требует при- менения для антенны неиэл у чающего основания размером нс менее 15 см. Антенна в виде полуволнового симметричного вибратора или аналогично- 108
601 CHHIUHC ВЕНифу^ГЦ] 7/'7 'jnj ЧИВ1Л1 mijifiHd-KMaire'nlJ' 1: 111.-: I '.' I -; I ziAudoji '3IA>l>l!M К1ЧИЧ1Гр1О.мтй>\| E3l!MI’1.1 HILXjSh J 14 ILIV virages HHHHaaodu 'HI4ll<IL'BCj±lli1]l 'imiiii^.i.ii^ i;hii;»i.''h jA .i.uiHtl[[и|ифк:п’-1 кёкии.) ii mkj.i. -ОН SMIiqu'iJ.i.i-iHij’OiiOV нl11.111 ;A ‘[i.i.iiOiiotjii oo.nAd h.m.oiMiiOij'-iOji < > Н Ь tl.I.L'J E? Ь HjUU 0l4JJ.LU.I..}t'hOMOJI4H [!l 1<и|КНЛ).[1Ш1:'Е!(1 AOAlldolH Oil ,»J 1 ] 11 < H КЧ. j.I.C >< I j j 'HHHLIli' HE 311M M 11.1.111 I H.l.JOlIxdOHOLI Hill I ШАЛЯ UH .I.A'mJ.J.Oll I1MI1.I. ,>]'11Ы.Ш..'М!ЫР1().1 -Hfl iJEJiAlfO E4OJ.C h АЛ 4 bXOJOOII 4JOH1?HO6ad 141(113BFi %£+ BUOPVIlttll' И W dl! lit! К3.1.ОЕЕ!1/|Н1,г(|Ц|| ;i.l.001![l Я KI1lli>lllVXx^ '1411 Hj.l.jlli К 11 I ПМ.1Е1Е aiHhO.L и I1!E!!!x!!.l.i -.n|i.-.,)ri:i ,?h.n : ii ;::l I .h;i:U1' 11.1 .lonl.'otiiHil.'ooii :.. i.; i-.. 11 tin i.i!(L<nisi or ионгои | ‘епофйЕ|А'1.|. lioXiiiLuji L[,Yi..>EinxtlSHini x n _ч; :i..ji-, 111.'i._e’.l., 11 v: riNdoip н л 11 held' HOHdli'r! -ilishih HiiljHnif.j.uLi Hotlalilted XHK.XiEiEttl.i^ivOO-l LO IHOHS^S Hliiia.i.iiir n.i.ooiy ’Jt/v ^НЕЧИОК ELIOII 14,111 4.I TIO til l5FliT}1.r EiljlHilKlEI O.IO.4,)dhl1l.l.'!i.L0K Wllllll HI! 11.) II Lil 1ОЯ,\ j ’A.I.t 1.1..Н! Il tHAlIlXilJll [III i)HI!H -oh.hIh ,?o:l 1 .:-.:u :!;.i;i.h i 1 ।я-11 .: :! 1 Luk। iiHiii.itLi.Aiin 11 ниши, 11011ч 1. нее.nil! -Oil I'O-'Hi Hl/lHIEldlE l\ 11 11 I lE.IHSI И Г1 III L!SIOK!idoO 'llll II 11 If StOEliill.I.O Hl.'.ld ’ H i )H I I.J.5I; K[)l[lf-i ^ii'OOi-ittii я irtOOdtl]/ ’Hmiti.i. к 1411.1.о.1..тнЕ1Е15ш;>1чи nifl? KKiid.iodl' O.ialnOlXjB'IOTOO - 1'i 11 H. j IS 11 lie St 11К k. j O. [OH El J 1.131 If, id llllll’l H Alp .1.411< EI E.t :> EIE'I EE I! 11I1IIIII.' I IOII4 tlTH JJTEOH I-] iil J IE II1 !.l. И LI 111кН.1_Й1.гНО НЙЕШ1ЙЛЫ ;) 11 lJ E E nl.r; :< >. > ]|Q 'irjJIIMII.I.J t j. I < Jd4 EIЕГ l.'"l?.l.; j 14 T/mh .IaKIIVIE (|[1ILII;'JI|) KIlllIIOM LAiri.I.A'lEXIVlIKEitl II 14 C jtlj.OlX IE Н1.г IV IE 11Г11ГЧ (J .> .4111 Il'IIHOd | | LlOIOtb SOOlfOU W&hOQlid Я rilllLI.E.Iir KEIIIEillll.lllir.lOj O.EAJIKhLoX 'Ihll.I.Ool' ГЕОО.1.11 У/Х Obtjlf Hli'5 ‘XllH].d.r se.i.^hih H^WEfOV И НИ11И1А yOH<TlfVH3HtOJ5 iptTKHUlHU wot? -EtHotin ivriiuiirLid.i.iuh j 11..]11Hl’.nI.i хин s:n hhI'Q Htl.iAmnHl.''o.iontnid яозинй'он -Odii xXhIZ S:n .i.ieoj.Jeij tlo.i.Lrdoii^ 'ii.i..io;i,>()i. ii noirij.'EM.AiviiKE! si ii.i.hiiiH^irElvdllBK A14 hi litl.lt! nil' OEASIO.IAtlx I!J11IIIM1!L4H Lc II. 1.1.1 rt III] 1SI H[41HIJ1J,'(HIAI,OI I 11 lrl 11 It 11 cl-IrTIV IXE [. I [»H4l.rE'?IHJ.tl;>H HI4llll^^<IJ.r<lll^Vd ИО^ОЗ J.^^J.i’ElH.I.Jti'ildll L( I k' I ' lOll) l!HIL).I.HI! kiiei -O([h[.>J,'IIJ 0U6—008 illlllE-iEil I1!111.f SI niltllOEli.I.iSOl!^ ЧЧНИДШП »1ЧН()ф11.»].'[]] r 11111 j.i. и ii ..i не 111.1111 ijgij. । (j егпк OU^IASlLHJOHIO ^HlliSEh'HX mill IdKIIJlill HSIKtL.I IIOEDKHSll.'IHJ |).4JU'I(L l!ll ЛIV 0.1.!-!() 11 SlOII -ОфЭ1ГЭЮН17Й,1 XIMII'U.'IIOOIV XEilVO'UIO K^KUllHUlfllJ'lllillVA I HI Hill 1.1..H HI El ГI L\, > lot it 11 I iiisiiiHcFitlii.} .].LiBi.-sir.i.;)li';idii e\.) hOhm i/T.'’ KiilixAiLL.iHosi и1ннк)он1-у rsiiJtiiHrAh o.i -OI.',MhL»I IVI EX A El E4OJ.ll Al/iKilEV IЛ 1111 KO.I-llilfd .l.ilAll.l..}J.dtl.J.C)O;» ОНЧ iriJ.[.HS!l 11.out 11 I O.I.Ii 11O Ч.1.1!1111ЧЯЙ<1и HrlsXli'Ot* ОН етюфмга! OJOHO.l.O.J (LlIVRIiil JlW iHEl.L ‘rihlld.L.i.ALIoV -ill I ridoivurd 0l'III.I.EIllllO!!.l ilEEXPJ^ 34.J О1ГОЛО .LHSIH.I.JO,» iliriiA’li d KO.L.E-! SI Jtl. il.I.llliAI.' -s:ji ii 1ез1не!я1111.)о tLiivrHL hmIejQQ AiiIHM'oJik! oiamii.i. li.i.itoii .ь>нехн KirO.i.i!iiAt.'i:H o.i
Цилиндрические спиральные антенны. TjiEcire дн ген н ы iiinpinco ci<~iir:uiь- мищиСь к ранних конструкциях радио те. кч|к>1 iof!. При <чкп н1?гс[ цуннг((!м выборе нарамстроп гниральпыг антенны (рнС. 1.42) имеют обычно прием- лемые габарит fiEiie размеры и нЕ=(:ьма ^c[]<|m-i< j i iии Eii но ранномершн-гн Э/гект- рОмагнитного излучения и ко;-н]к])ициен ту усиления. Одна ко их рабочая 110- ЛОСа ЧАСТОТ Сравнительно невелика. Цилиндрическая спиральная антенна (рис. 1 ,d2, a) представляет <;обоii гHt'pHVEi.iii н ciuipa.iEi проводник 7, кото- рый [[нт;н'гся черен коаксиальную лини и: 2. Внутренний провод коаксиаль- ной линии гоеднндется СО спиралью, а внешняя ОИЛСТКИ — С небольшим мс- тал.1 нче^кн м /[иском 5. 1 Li рис. 1 Л2. а показнЕi ел размеры cinipii. iH airi'eiiiiu; а — радиус» 5 — шаг; £ — длина ну ее оси. Рис. 1.4'2. Цилиндрическая спирал иная антенна: и спираль; ti — двойная спираль на корпусе радиотелефона В спиральных антеннах портативных телефонов используется режим ненаправленного излучения, который реализуется при диаметре спирали 2а, значительно меньшем длины волны (Х> 12а). При этом в плоскости, сов- падающей с осью спирали, диаграмма направленности имеет форму круго- вой восьмерки, а в плоскости витков антенна равномерно излучает во всех направлениях. I [оскольку антенна (вместе с телефоном) практически все- гда расположена верт пкально, .о используется меридиональное излучение радиоволн. В режиме излучения электромагнитных колебаний спиральная антеннн радиотелефона на резонансной частоте возбуждает значительные уровни высокочастотных токов на корпусе, который становится частью из- лучающей системы. Возбужденные токи корпуса радиотелефона частично поглощаются рукой абонента, и ладонь руки в этом случае необходимо рас- сматривать как диэлектрический материал с омическими потерями, в котором находится корпус. Часть токов проходят от корпуса в руку и рассеиваются там, создавая дополнительный механизм потерь. Снижение коэффициента усиления спиральной антенны составляет около 3 дБ для человека с сухи- ми руками. Радиотелефонная спиральная антенна достаточно мала и в значитель- ной степени затеняется i иловой абонента, находясь от псе на расстояниях 2 4см.] 1ровалы в диаграмме направленности спиральной антенны по срав- нению с диаграммой направленности симметричного полуволнового вибра- тора достигают 10 12 дБ. Поэтому единственное достоинство спиральных антенн телефонов их небольшой размер. 110
CpiiHnn ivjihHo Е[пзк<):к]>фект]1ины(! ]1и<иечег(; характеристики и показате- ли спиральных э ниннн н диапазонах частот 800—900 МГц ищ-тавпли рннра- боГЧИ КПП ЕГ[Л ini'IHVTb к ИХ усложнению. I IpilMilllHHMlJE' И IliEC I'OH IILI4' Н|К‘МЯ ILI.C.-11.1 Fi;ipi.r<'3C'C'icii«r eiEHpiiJEiiHhii; согееиет из двух епщшлей (риС- 1.42, fj) — in?p- ннчнои, жестко установленном еед корпусе (длина 2—2,5 см при четверть- волновой электрической длине), и НТОрЕЕЧПОН (jT'llllitl 10 ГХГ |||Н[ ] IЕ >.'l V Н<) Л I III- iii'i'i ici; |’[ :-i I 1-"Г’ic: 11 д inn). Bi o| н i1111 a ;i c npa.ii, ;>;i i M п цаетгя внутри Корпуса Телефона И в выдвинутом пипшинп ('таноннтся eice тетиным пилу на- гелем, Она запи тывается концом первичной спирали, н в ней отсутствуют [[ОтерИ, hu;sis;iie н i-.iti рукой абоНС!гга. Ни ;4К(>нро<|) ильные иеете’нееье. В Егоеледние несколько лет и большинстве мобильных гглнцнй сис тем подвижной электросвязи Стали ширфКФ приме- няться нетрадиционные и&лучатели пошито типа. Наибольшее распростра- ш‘]|]1(! н мобильных р;|.1ИЕЕтеле-(|>он;1х получили микроЕГОЖН-ковые ее Г-обряи- ные ни.ЕкоЕ1|)о([1Е:.1Ы1ые антенны (рис, М3). Рис, 1,43, Ннзколрофнльныв антенны: а - базовЕЕЯ, или проволочная; б — полосковая и пкжостлая Базовая, или проволочная, модель F-образной ницкопрофильной антен- ны показана на ряс. 1.43, а. Данный вид антенны может быть получен путем изгиба несимметричного четвертьволнового вибратора в L-образную фор- му с последующей установкой на проводящей плоскости корпуса. Возбуж- дается антенна в смещенном от основания точке, к которой подключается внутренний проводник коаксиальной питающей липни. Внешняя оплетка коаксиальной линии соединяется с проводящей плоскостью корпуса. Согласование полных сопротивлений /’’-образной антенны и линии до- стигается выбором положения точки питания. Частотныii диапазон функ- ционирования F-образнлй антенны пропорционален высоте fl. Проволочная антенна стала основой для более эффективной плоскост- ной F-образной антенны, в которой излучаю]ниii элемент выполняется в виде полоски па двусторонней диэлектрической подложке (рис. 1.43, б). Подключение коаксиальной питающей линии в данной конструкции осу- ществляется так же, как и в проволочной модели. Плоскостная антенна явля- ется одним из основных типов внутренних встроенных антенн для перспек- тивных моделей радиотелефона, и она может располагаться практически в любой части его корпуса. Интеллектуал иные антенны БПС. Подобные антенны представляют со- бой совокупность (peiистку) определенным образом расположенных в од- 111
НОЙ ПЛОСКОСТИ (в ПЛОЩАДИ квадрата ИЛИ прямоугольника) Отдельных эле- ментарных излучателеи электромагнитных heijiii, питаемых iiajiajo'iejibiiO через индивидуальные устройства сдвига фаз (фазовращатели) одним ис- точником нмСОКОЧЙСТОТНЫх колебав и и (рис. 1,-ii) или системой когерент- ных (гфазирониизых) источи! imhi ЭнергнИ- Рис. 1.44. Структурная схема фазировавший антенной решетки Электромагнитные ноля, создаваемые каждым отдельным излучателем, суммируясь is пространстве вблизи антенны, образуют единый электромаг- нитный фронт волны. Это ноле обычно представляет собой узконаправлен- ный луч энергии — требуемую диаграмму направленности (см. рис, 1.44). К важнейшему свойству фазированной антенной решетки (ФАР) отно- сится возможность электронным способом, практически мгновенно, изме- нять положение диаграммы направленности (сканировать, от англ, жап - поле зрения) в пространстве путем одновременного изменения с помощью электронных фазовращателей Ф определенных значений фаз элементарно- го излучателя (сдвиг фазы составляет от 0 до пА<р; п — число излучателей; Длр — дискретный сдвиг фазы одного фазовращателя) с верх высокочастот- ных колебаний, подводимых к каждому излучателю. Излучателей может быть много (до 10 000), и они управляются с помощью компьютера. 11риме- неиие ФАР для создания остронаправленных диаграмм излучения позво- ляет реализовать высокую скорость обзора пространства н способствует увеличению количества получаемой информации о местоположении в про- странстве различных объектов, таких как ракеты, самолеты, корабли и т.д. Сейчас смарт-антенны позволяют изменять и положение луча, и мощность излучения в различных секторах. Смарг-антенна автоматически находит наиболее сильный сигнал для мобильного телефона. 1.5. Глобальные системы связи будущего Отмстим, что задачи мирового масштаба — обеспечение согласованнос- ти параметров оборудования систем связи, разрабатываемого, производи- мого и эксплуатируемого во всех странах, а также определение перспектив 112
развития nr4VKqHH’Bji;«n — решает Мсждун<1род| । i>iii i’< нов ?iiie карие вязи (МСЭ), В частности, стандартизирующим органом МСЭ является сектор стандар- тизации электросвязи МСЭ-Т (здесь буква Т означает телекоммуникации). МЭС-Т ведает также стандартизацией вопросов включения сметем элект- росвязи в сети злектросвязн общего пользования, Имеется обширный и по- стоянно пополняющийся набор рекомендаций комитета МСЭ-'Г по всем сторонам работы телекоммуникационных систем и сетей. Основной страте- гической целью МСЭ является создание глобальной информационной структуры, в результате чего будут реализованы глобализация н персона- лизация связи две тенденции развития телекоммуникационных систем, предусматривающие совершенствование связи по сетевым и техническим направлениям. Глобализация связи - ото создание Всемирной (глобальной) сети связи, в которую интегрируются (объединяются) национальные сети связи (сети связи отдельных государств), а также входящие в них региональные и або- нентские сети связи. Это позволит любому абоненту земного шара в любое время пользоваться необходимыми ему услугами связи. Персонализация связи согласно концешши UPT (Universalpersonal telecom- munication) выражается в том, что каждый житель Земли с момента рожде- ния получает персональный номер, который регистрируется во Всемирной сети связи, а поиск абонента при адресации ему информации осуществля- ется автоматически с помощью интеллектуальных функций сети связи. В наггоящес в]Н'мя пол ш'ндоп МСЭ ведутся работы но созданию гло- бальной международной ССПС третьего поколения, пол уч и вшей найме! ю- ва] । ие FPLM TS (Future р ublic lan d mobile telephone system будущая c yxoiгут ная мобильная телефонная система общего пользования). Для нее определен диапазон частот 1 —3 ГГц, в котором будут выделены полоты ши- риной 60 МГц для стационарных станций и 170 МГц — для подвижных станций. В этой системе глобальной связи предполагается разработка на- земного и космического сегментов. Архитектура ее построения може! включать ряд различных сценариев. Один из вариантов построения буду- щей глобальной системы подвижной связи с использован нем космических, сотовых и беспроводных сетей представлен на рис. 1.45 (для упрощения со- ты обозначены не шестигранными, а круговыми ячейками). Внутри помещений зданий и офисов организуются пикосоты с радиу- сом обслуживания до 100 м с высокой емкостью, определяемой большим количеством абонентов на единицу обслуживаемого объема. В обществен- ных мес тах (вокзалах, anpoiюртах, грргоных центрах), на улицах для пеше- модов создаются микросоты с радиусом действия до 1 км. Предполагается, что для обеспечения связью автомобилистов будут использовать сотовые системы связи, имеющие макросоговую структуру с радиусом обслужива- ния до 25—30 км. Спутниковый сегмент системы обслуживает абонентов воздушных, морских и речных судов, щузового автомобильного и железно- дорожного транспорта с развертыванием гиперсотовой структуры радиу- сом до сотен н тысяч километров. Глобальная система FPLMTS будет действовать как единое целое, рабо- тающее по принципу установления связи между абонентами 4где угодно, когда угод [io и с кем угодно*. 113
исз Рис. 1.45. Архитектура построения будущей системы мобильной связи Очевидно, что переход в более высокие частотные диапазоны, появле- ние новых инфотехнологий, ориентация сетей 4G на использование спут- никовых сегментов передачи информации — одни из основных аспектов концепции развития систем подвижной радиотелефонной связи общего пользования. Заметим также, что в настоящее время происходит достаточ- но быстрой процесс конвергенции (слияния) связи и информатики в инфо- телекоммуникационные технологии, переходящие к инфосфере, и Россия должна быть готова к этому. Последние модели систем подвижной связи (например, GSM) являются уже четырехдиаиазонними (800,900, 1800 и 1900 МГц), что даст пользова телям возможность их глобального применения, В настоящее время проис- ходит еведение в эти телефоны диапазонов и технологий стандартов треть- его и четвертого поколений. При введении других «наступающих* технологий мобильной связи типовые абонентские устройства должны по- лучить возможность функционирования в полосе частот почти 6 ГГц и бо- лее (рис. 1.46). Рис. 1 16. Диапазоны функционирования систем подножной гпялн Системы видеоконференцсвязи. Системы видеоконференцсвязи пред- назначены для проводимых на расстоянии но каналам связи конференций, совещаний, деловых переговоров и тд. (видеоконференцсвязь можно осу- ществлять и по глобальной сети Интернет). Другими, словами, эти системы используются для передачи малоподвижных изображений с голосовым со- провождением. K;ik iiiKiniini), требования к качеству воспроизводимого ИЗО- бражения менее жесткие, чем в вещательном телевидении. Первая сеть ви- 114
д{.',()К(>1к[)1,'|)С11цсня:111 iмчала дснгтшжать it 1984 г, в ФРГ, Всонр^ыснных ци- фровых системах видеоконференцсвязи наиболее часто применяются циф- ровые потоки со скоростью передачи информации 2,048 Мбит/с в Европе и 1,544 Мбит/с в США. I leno.ih.iyrMLic и uacr।:-я।к г гремя ст I'Mhi ыi.к•<iki?in|:-( p! Huciuriii обеспе- чивают разрешающую способность по горизонтали в 320 пикселей па стро- ку и по вертикали в 286 строк. Объем информации па кадр равен 700 Кбит и скорость передачи (при 25 кадрах в секунду) должна составлять около 18Мбит/с, Применение специального вида импульсно-кодовой модуля- ции сокращас этот поток едва раза до 9 Мбит/с, а эффективное кодиро- вание дополнительно сокращает цифровой поток до 7 Мбит/с. При разра- ботке ГП('Т(!М ИИДГОКОнфгрСИЦГВЯЗИ уЧИТЫЮНТСЯ, ЧТО ||(!р(!ДЭВ.Т(!МЫС но каналам изображения малоподвижны и изменяются во времени от кадра к кадру менее 25% пикселей. В процессе преобразования цифрового потока обеспечивается передача лишь изменений пикселей, что приводит к сокра- щению циф1 юного потока еще не менее чем к четыре раза. Таким образом, формируемый цифровой поток составляет менее 2 Мбит/с. В создаваемой в последние годы интегральной цифровой сети предпола- гается в системе видеоконференцсвязи использовать более эффективные методы сжатия видеоинформации. При этом скорость цифрового потока может быть уменьшена до 384 Кбит/с. В системах видеоконференцсвязи часто используются полиэкранные системы отображения информации. Видеотелефонные системы. В <трапах со стандартом телевидения на 625 строк используются видеотелефонные системы (видеотелефоны) с 313 сте- ками в кадре при чересстрочной развертке и частоте кадров 25 Гц. Верхняя граничная частота видеосигЕ1ала равна 1,25 МГц. При этом возможен циф- ровой поте к информации в 20 Мбит/с. Предполагается использование каналов с возможностью передачи ин- формации со скоростью 64 Кбит/с или кратной этому значению. Сокраще- ние избыточности изображений в этом случае в основном связано с их низ- кой подвижностью. Факсимильные системы (факсы). Факсимильная связь является ви- дом дендгментальной связи, предназначенной для передачи не только со- держании, но и HHCJiiHCio вида самого документа. Сущность факсимильно- го метода передачи состоит в том, что передаваемое изображение (оригинал) разбивается на отдельные элементарные площадки, которые сканируются световым пятном требуемых размеров со скоростью разверт- ки 60,90, 120, 180 или 240 стрсж/мин. Пятно формируется снеТООПТИЧескоЙ системой, содержащей источник света и оптическое устройство. I Тсремещение светового пятна по поверхности оригинала осуществляется развертывающим устройством. Сигнал яркости, пропорциональный коэф- фициенту отражения элементарных площадок, преобразуется в цифровой вид и передается по каналу связи с использованием того либо иного спосо- ба модуляции. На приемной стороне эти сигналы преобразуются в элемен- ты изображении и 1зигпр1Н1:яищягея (ааппсыванмся) на приемном бланке. Факсимильные системы обеспечивают передачу сигналов по телефон- ным аналоговым или цифровым каналам (общего пользования или специ- ально выделенным). Цифровая передача обычно ведется со скоростями 115
12QQ, 2400,4800 или 9600 бит/с. В новейшихсистемах при помехоустойчи- вом кодировании скорости передач достигают 50 Кбит/с. Связь по Skype. Сегодня можно общаться с собеседником на расстоя- нии и вздеть его лицо. Поможет вам в этом Skype (скайп). Skype — специ- альная компьютерная программа, которая позволяет общаться через Ин- тернет Разработала эту уникальную программу компания Skype Limited, которая является подразделением корпорации Microsoft. Skype бесплат- ное проприетарное (частное) п|юграммное обеспечение с закрытым кодом, обеспечивающее текстовую (чат), голосовую и видеосвязь через Интер- нет между компьютерами (/f’-гелсфопню), опционально используя техно- логии пиринговых (от англ, peer-to-peer — равный к равному) сетей, а так- же платные услуги для звонков ei.l mooil'ieieiiiK! п ( Гг1Ц[1онг1рны(! телефоны, Программа также позволяет осуществлять конференц-связь и передачу файлов данных. Есть возможность вместо изображения с веб-камеры пере- давать изображение с экрана монитора, а также создава гь и отправлять ви- деосообщения пользователям настольных версии программы. Использование программы Skype на компьютере требует установки до- полнительных драй воров и специального оборудования (наушники, микро- фон, веб-камерэ). 11 oi. innne о . much их ipyi их п|ляра.м?.| //'-ie. if фоппи д. in передачи данных Skype использует децентрализованную /*3/>-!1рхмтектуру. Каталог пользователей Skype был распределен по компьютерам пользова- телей сети Skype, что позволяло сети легко масштабироваться до очень больших размеров без увеличения дорогой инфраструктуры централизо- ванных серверов. Центральным элементом для Skype являет ся сервер идентификации, на котором хранятся учетные записи пользователей и резервные копии их кон- тактон. Центральный сервер нужен только для установки связи. После ТОГО как связь установлена, компьютеры могут пересылать голосовые данные на- прямую друг другу (если между ними есть прямая связь) или через Skype- посредник — суперузел. Сейчас все суперузлы перенесены на серверы jMicroso/t Протокол Skype закрыт и недокументнрован и может использо- ваться только оригинальным программным обеспечением Skype. Благодаря ис- пользуемым Skype кодекам (алгоритмам сжатия данных) SILK (8 24 кГц), (7729 (8 кГц) н (т.711 и при достаточной скорости интернет-соединения (30—60 Кбит/с) в большинстве случаев качество звука сопоставимо с каче- ством обычной телефонной связи, а при хороших условиях соединения за- метно лучше. При голосовом звонке и широкополосном подключении к Интернету рлгходуется примерно одинаковое количество входящего н исходящего трафика. В сумме средний объем трафика составляет около 500 Кбайт/мин (10 мни 5 Мбайт; 100 мин 50 Мбайт). Для видеосвязи используются кодеки VP7 (до версии 5.5), VP8 для видео стандартного ка- H '.Tixi и /Л2()1 г |>| иидсо 72()р и 1()М(1р. Д. иг стаб и: ,п;г не ।. ’ = ,. и; п:: пя ви- деосвязи необходима скорость интернет-соединения более 200 Кбит/с и желателен процессор с тактовой частотой не менее 1 ГГц. При видеоэнон- КС KO.LH'It'C I ЕЗО Тра(])ПКМ UptlMCpHO Л 1 0 рПЗ ООЛ Jill К1, ЧСЛ1 llpll IT).'J()('OJi()M. Skype позволяет общаться с помощью текстовых сообщений (Ш-чата; 1М-чат — Instant messenger — программа мгновенного обмена сообщения- ми), устраивать групповые текстовые чаты. I 1спользуется свой набор емай- 116
.юн, хранится история (гг,1 сервере, до 30 дней). Также предоставляются обычные ДЛЯ /Л/-ЧЛТОИ Н1]ЗМ()ЖНС>(']|1 — профили 11<).1Ь;<()ЕЗ;Е1Ч.1..,1Я, ИНД ИЮНЕ!]! Ill состояния (<т;гпгс) и т.д. S/jype предоставляет возможность обмена файла- ми без ограничения размера и со стандартным и Опциями временной ириЕ><:- тчнов1-.и : । |и гы. и,.: и :пи i:\i.i i ir it •.tn о возобновления при нодключе’пин НОСЛС потери СВЯЗИ ИЛИ ВЫКЛЮЧСНИИ liptlE"p;|MMbl SklfJJi' ДО КОНЦЕ! IH'pE'.UI’l и ф;п г ia, Контрольные вопросы и задания 1. Какие основные задачи решают телекоммуникационные системы? 2, Что определяют понятия * информация» и «сообщение*? 3. Что такое сигнал и какими параметрами он характеризуется? 4. Зачем передаваемое сообщение преобразуют в электрический сигнал? 5. Что такое радиоволны и на какие диапазоны они разделяются? 6. Представьте струКтурЕЕуЮ схему аналоговой системы электросвязи. 7. Какие основные радиотехнические процессы характерны для систем связи? Я. В чем состоит суть метода уплотнения? 9. Чем отличаются аналоговые и цифровые системы связи? 10. В чем состоит сущность процесса модуляции? 11. Какие пиды модуляции используются в системах связи? 12. Что представляет собой процесс детектирования? 13. Какими параметрами характеризуется радиоканал? Id. Опишите передачу информации но каналам связи и влияние помех. 15. Представьте структурную схему телевизионной системы. 16. Для чего в телевизионных системах используют устройство синхронизации? 17. Представьте структурную схему цифровой телевизионной спои-ml. . 18. По каким направлениям развивается телевизионное вещание? 19. Укажите области применения радиовещания, телевидения, электросвязи. 20. На каком принципе построены современные системы подвижной связи? 21. Как работают сотовые системы мобильной связи? 22. Что собой представляют пейджинговые системы связи? 23, Для каких целей используются TpaiiKiifirtnmip ('jectcmi.e мо6нле,пой гнязп? 24. Каков принцип построения современных систем беспроводных телефонов? 23. Какие сета относят к системам 4G? 26, Что собой представляют стандарты И7-Л. WAM.Y и GTE? 27. Как функционируют сети следующего поколения NGN? 26. На чем основано действие низкоорбитальных систем спутниковой связи? 29, Какую структуру представляют системы мобильной связи будущего? 30. Для чего используют системы видеоконференцсвязи и факсимильные системы? 31. Как осуществляются магнитная запись к воспроизведен нс звука? 32, Что такое скайп?
Глава 2 ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЕ СИГНАЛЫ IJ [Н'зультатс освоения материален главы 2 студент должен: знать * физические свойства сигналов и помех; огненные виды и информационные характер и стики сигналов и помех; i/.нешь получать математические модели сигналов; ‘ определять параметры сигналов по статическим характеристикам; мш№мь навыками реп гения задач оптимизации сигналов и систем; методами компьютерного моделирования сигналов и юг преобразований при передаче ио каналам связи. Изменение но времени напряжения, гОь£й, заряда или мощное ги в элект- рических цепях называют албктпричгсшч колебанием Используемое для передачи информации электрическое колебание является электрическим сигналом. В теории связи термины 4электрическое колебание» и ^электри- ческий сигнал» (проще, сигнал) близки по смыслу и часто заменяют друг друга Сложность процессов в электрических цепях зависит от структуры исходных сигналов. Поэтому целесообразно пользоваться спектром сигна- лов. Из вестиы ряды и преобразования Фу рве, с jjomohliiK) которых сигналы представляются совокупностью пзрмоник, Полезен корреляционный ана- лиз, дающий представление о скорости изменения и длительности сигнала. Сигналы, поступающие от источника сообщений (микрофон, телекаме- ра и т.д.), низкочастотные и поэтому не могут быть непосредственно пере- даны но каналу связи. Ч тобы осуществить эффективную передачу сигналов полициям связи, необходимо перенести их спектр из низкочастотной обла- сти В область высоких частот. Это осуществляют с помощью.мидулнции. В системах связи применяю т узкополосные сигналы, спектр которых со- средоточен и окрестности несущей частоты о>0- При их анализе пользуются понятием «аналитический сигнал». 2.1. Общие сведения о сигналах При передаче информации па расстояние с помощью разных систем свя- зи используют многообразные сигналы. С математической точки зрения всякий сигнал можно представить некоторой функцией времени и (г), кото- рая характеризует изменение его мгновенных значений напряжения (такое представление применяют чаще всего), тока, заряда или мощности. 118
2,1,1, Математические модели сигналом Сточки зрения решения многих проблем передачи информации матема- тические модели электрических и оптических сигналов и помех являются фундаментом теории связи. Математический аппарат, используемый при он л сап ин сигналов, позволяет проводить анализ без учета их природы. Од- нако для понимания сути, характеристик и параметров электрических сиг- налов удобнее обращаться к их физическому наполнению. Для того чтобы сделать сигнал объектом изучения и расчетов, следует 1Ч);1длт11 ио млтг.мат нческую .модель. Мигпе'мгттчегкш! t u/.iuj.ia на- зывают его описание с помощью математического аппарата (функций, рас- пределений и т.д.), позволяющее делать выводы об особенностях сигнала, применяя при этом формальные процедуры (в частности, математические преобразования). Наиболее распространенными способами представлений сигналов явля- ются временной, спектральный, аналитический, статистический, вектор- ный, графическим и громрт рический. Функции, описывающие Сигналы, мо- гут быть как вещественными, так и комплексными. Зная математические модели сигналов, можно сравнивать эти сигналы между собой, устанавли- вать их тождество н различие, проводить классификацию сигналов по ряду специфических признаков. 2.1,2. Классификация сигналов Сигналы удобно рассматривать в виде математических функций, зэдап- II Л!?, I.': I .| ЧП 1.1111 II :l 11 | ЮГ I |Я I •• I ” III'. I •• :, Л К(ЮЧ 11 11.1 I < I Ч . ( . 1)11 104 К И 1[)ГПИЯ сигналы обычно описывается одной {одномерный сигнал; rt = 1), двумя (двумерныи сигнал; п - 2) или более (многомерный сигнал; я >2) незави- симыми переменными. Одномерные сигналы являются функциями только времени, двумерные — функциями времени и координаты или двух коор- динат, а многомерные, кроме времени, отражают положение в п-мерном пространстве. Для упрощения будем в ОСНОнном рассматривать Одномерные сигналы, зависящие от времени, однако материал книги допускает обобщение и на многомерный случай, когда сигнал представляется в виде конечной пли бесконечной совокупности точек, например в пространстве, положение ко- торых зависит от времени, В телевизионных системах сигнал черно-белого изображения можно рассматривать как функцию/(.г, у, t) двух п ростра пет венных координат и времени, представляющую интенсивность излучения е; точке (л,у) в момент времени !. на катоде. При передаче цветного телеви- зионного сигнала имеем три функции /(.г. у, £)rg(x,y, f), Л(х,у, (), определен- ные на трехмерном множестве (можно рассматривать эти функции также как ком нонен [ill трехмерного векторного поля). Многомерный сигнал может рассматриваться как упорядоченная сово- купность одномерных сигналов. С учетом этого при анализе и обработке сигналов многие принципы и практические методы обработки одномерных сигналов распространяются и па обработку многомерных сигналов. Много- мерный сигнал создаст, например, система напряжений на зажимах много- полюсника (рис. 2.1), 119
Ямс. ?. f. Сигналы: а - идномерныГк <7 - двумерный. к - многомерная система Многомерные (векторные) сигналы состоят из множества одномерных; U(t) = {М|(0> И:(Д - «„(*)}» где п — целое число, размерность сигнала. Обработка многомерных сигналов имеет свои особенности н может с_у- тественно от.чич;п ыя от обработки одномерных сигналов в силу большего числа степенен свободы. 'Гак, при дискретизации многомерных сигналов имеет значение нс только частотный спектр сигналов, но и форма растра диск|Х"1 нзации. По особеннос тям с трук туры времен ноги представления (рис, 2,2) все электрические сигналы делятся на аналоговые, дискретные (discrete-rime) и цифровые (digital). [ll.iii физический процесс. порождающий одномерный сигнал, можно представить непрерывной функцией примени u(l) (рис. 2.2, ft), то такой сиг- нал и азы ван ri шдт.дтгогсылг (/ц*»/№рый,цли) или, более обобщенно, коптину- (Lttiimi.ti (многоступенчатым), если последипп имеет скачки, разрывы ио осн амплитуд. Заметим, чао традиционно термин «.аналоговый* используют для oiJHcaiiioi си гиалин, кттгорые непрерывны во времени. Непрерывный сигнал можно трактовать как колебание и(г), язевпотее- ся функцией ни|ргрывиоп дгчйсгвцаельной временной переменной t. I[сня- тие-^аналоговый сигнал* связано с чтем, что его любое мгновенное значение Рис. 2.2 Сигналы: л — аналоговый; f> — дискретный: в — квантованный;» цифровой 120
flHfl.IOCU'lHO jUIKOliy Изменения С<»УТНеГС1НуН1][[(!Н (]>ИДПЧ(!ГКОН Iti '.I И 411 Uhl HI] времени, Примером аналогового сигнала является напряжение, которое подано на вход оси l Li л аграфа, в результате чего на экране возникает непрерывная кривая. В связи широко применяются импульсные системы, действие которых основано на использован ни дискретных сигналов. Дискретный сигнал получают из аналогового путем специального пре- образования. Процесс преобразования аналогового (непрерывного) сигна- ла в последовательность отсчетов (выборок) называется дискретизацией (sampling), а результат такого преобразования — дискретным сигналом пли дискретным рядом. Простейшая математическая модель дискретного сиг- нала и ft) — последовательность точек па временной оси, взятых, как пра- вило, через равные промежутки времени Т- ДА, называемые периодом дис- кретизации (или интервалам, шагом дискретизации}, в каждой из которых заданы значения соответствующего непрерывного сигнала (рис. 2.2,6). Ве- личина, обратная периоду дискретизации, называется частотой дискрети- зации (sampling frequency): f - 1/7’- t/ДГ. Соответствующая ей угловая (круговая) частота определяется следующим образом: <йд = 2л/ЛЛ Простей- шим примером дискретных сигналов могут служить сведения о температу- ре, передаваемые в программах новостей радио и телевидения. В общем случае представление непрерывного сигнала набором отсчетов 11рл водит К Определенной потере но'К'нтш информации, тик как мы ничего незнаем о поведении сигнала в промежутках между отсчетами. Однако, как будет показано в гл. 6, существует класс аналоговых сигналов, для которых такой потери информации практически не происходит, и поэтому они мо- гут бы ть с высокой ппенеиыо точности ьОССтЗнОдлены но Значениям Свонк дискретных отсчетов. Разновидностью дискретных сигналов является цифровой сигнал. В процессе преобразования дискретных отсчетов 11(гнала в цифровую фор- му (обычно is двоичные числа) производится его квантование по уронит (quantization) напряжения А. При этом значения уровней сигнала можно пронумеровать двоичными числами с конечным, требуемым числом разря- дов. Сигнал, дискретный во времени и киантова! ныг ни урони ю, iныылают цифровым сигналом, Дискретные значения сигнала и ft) сначала квантуют по уровню, т.е. амплитуде (рис. 2.2, в). и затем квантованные отсчеты дис- кретного сигнала заменяют числами uff), чаще всего реализованными в двоичном коде, который представляют' высоким (единица) н ни ясны (нуль) уровнями напряжения — короткими импульсами длительностью т (рис. 2.2, г). Такой код называют униполярным. Отсчеты могут принимать конечное множество значений напряжения (см., например, второй отсчет на рис. 2.2, г, который в цифровом виде прак- тически равновероятно может быть записав как числом 5 — OJU1, так и чис- лом k — 0100), поэтому при представлении сигнала его округляют. Возни- кающие Tip и этом ошибки округления называются ошибками (или квантования (quantisation погае). Последовательность чисел, представляю- щая сигнал, является дискретным рядом (discrete series). Числа, составляю- щие последовательность, являются значениями сигнала в отдельные (дис- 121
кретпые) моменты времени и НИИ leu; ноте я цифровыми отсчетами Сигнала, К ва I rit)Eia1111ое :+i 1 ач еч 1 ие г и г11 ала 11рг, it - r;i вл я ti rt: я набором и mi |ул i>c (> в, x;i] щ к- теризующих нуди (*()$) и единицы (*!») при iцц’ДСтанлснии ЭТОГО Значе- ния н двоичной системе гчискчпгя (см, pin.-- 2,2, г). Набор iimievjilceih ис- иользуют для амплитудной модуляции несущего колебания и получения кодон()-нмиульсного сигнала, Нтдк,cifu^iocrTih и^/фртой обработки I'tycmivv в том, что физический сигнал (напряжение, ток и т.д.) преобразуется в последовательность чисел, кото- рая затем подвергается математическим преобразованиям в вычислитель- ном устройстве, Трашл^ормпровинций цифровой пинал (iioc-'ie/LOBare.'ib- НОСТЬ чисел) ири необходимости может быть преобразован обратно, в напряжение или ток, Цифровая обработка сигналов (ЦОС; англ. — fli^it.al riff rial рпм-e.viing - DSP) предоставляет широкие нои МОЩНОСТИ по передаче, приему и п]И'обра- MinjiiiHK) информации, в том числе и такие, которые не могут 6eiITI> ]н\1.1и;ш- ваны е помощью аналогов ей техники. Заме тим, что в гл, S будут в успешном рассмотрены нриЕЕЕ[ины математического Описания, анализа и методов об- работки диек]н.1гпых сигналов. Здесь прежде всего следует пояснить неко- торые терминологические гоп кости, которые, возможно, уже были замече- ны внимательным читап'ЛЕ'м: ]1ечь идет как о (Гнскретмой, гак ио цифровой об]К|Гнтгке С иге галоп, а фактически рагсмлт|НГЕ1ан1тея дискретные Сигналы и их обработка. Эго снизано г тем, что на практике при а налит1 и обработ- ке сигналов чаще всего цифровые Сигналы Заменяют ди<:крг1 егеями, а их от- ЛМЧНе 01' ЦИфрЕ>ных интерпретируют как шум квантования. В связи с этим аффекты, СвязаЕИЕьге с кввЕггонаннем но уровню и оц1н])]1овкой сигналов, в большиЕЕСтве случаен не будут нргЕЕЕНматьгя во ешимзееие'. Можно сказать, ЧТО И в ДИСКЕТНЫХ, И ЦифрОВЫК EieilMX (es ЧЯСТПОСТИ, в ЦнфрОИЫХ фильтрах) обрабатывают дискретные сигналы, ТОЛЬКО внутри структуры цифровых цепей эти сигналы представлены числами. Пск-лому здесь и далее термины I и кре п I ые ги гн a.' i ы » и * цн фр<>вые <: и те ra-'i ея $, а та кж<! */! и i: к]}етн ы е (| ihji в е- ры s> и 4цифровыс фиды-ры*- будут в основном ih iioj'iы-;ое1;1Т1-<я как синонимы, ОдЕЕПМ I 13 ОСНОВНЫХ I ЦШЗНаКОН, ПО которым |j3 3,IH4aiO IC4 l.TITEia 'Ilil, явля- ется предсказуемость сигнала (его значений) во времени. ПиЛ1птг1е.нантчвско,ч1/ предст&едеиим) (ностепени наличия априорной - от лат. a priori — из нредшеСтвуннцего, т,е. й/ооныпшой иифорлищии} нее Сиг- нал ы принято д('.1и г]1 на две основнEiie Группы; детерминированные (регу- лярные) и с. [учанные сш na.nji (рис. 2.3). Детермиии/ювпипыми называют сигналы, мгновенные Значения КОТОрЫК в любой мом се гг врем нее и достоверно ииЕ5естн ы, т.е. предсказуемы г вероят- ностью, ранной единице, Де']'ерми1111ронаннЕ111> eth iki.'ele niinciiEEjaioT заранее Рис. 2.3. Математическое представление сигналов: а — детерминированного; 6— случайного 122
надаiiiiLHiii функциями времени M'i/jio и: рсдс. иг: к '..'/.'ajr;/ нши- гачгппг сигнала — меру того, на накос значение и в каком направлении переменная отклоняется от нуля; таким образом, мгновенные значения сигнала могут быть как положительными, так и огр и нательным и (рис. 2.3, й). 1Гростейшимн г г] hi мера ми детерминированного сигнала являются гармоническое колебание с известной начальной фазой, высокочастотные колебания, модулировап- ныс по известному закону, последовательность или пачка (группа) импуль- сов, форма, амплитуда и премии пбг положение которых заранее известны. Если бы передаваемое но каналам связи сообщение было детерминиро- ванным, т.е. заранее известным на приемном конце с полной достовернос- тью, то его передача была бы бессмысленной. Такое детерминированное со- общенне не содержит никакой новой информации. Поэтому сообщения следует рассматривать как случайные события (н.ш случайные функции). Иначе говоря, должно существовать некоторое множество вариантов сооб- щения (например, множество различных значений давления, выдаваемых датчиком), из которых реализуют с определенной вероятностью одно, В связи с этим и сигнал является случайной функцией. Детерминирован- ный сигнал принципиально нс может быть носителем информации. Его можно использовать лишь для испытаний системы связи или тестирования отдельных ее устройств. Детерминированные сигналы разделяют на периодические и неперио- дические (импульсные). Сигнал конечной энергии, существенно отличный пт пуля в течение ограниченного интервала времени, соизмеримого со вре- менем завершения переходного процесса в системе, для воздействия на ко- торую он предназначен, называют импульсным сигналом. Случайными называют сигналы, мгновенные значения которых в любой момент времени пенэнее гны и не могут быть нредсквианы <: нершггногтыо, равной единице. Может показаться, что понятие «случайный сигнал» не совсем корректно. Но это не так. Например, напряжение па выходе прием- ника тепловизора, направленного па источник инфракрасного излучения, представляет хаотические колебания, несущие информацию об объекте. Строго говоря, все сигналы, встречающиеся на практике, являются случай- ными, и большинство из них представляют хаотические функции времени (рис. 2.3,6). Как ни парадоксально на первый взгляд, ио Сигналом, несущим полезную информацию, может быть только случайный сигнал. Информа- ция в таком сигнале заложена во множестве амплитудных, частотных (фа- зовых) или кодовых изменений передаваемого сигнала. В щищесгс передачи информации сигналы могут быть подвергнуты то- му или иному преобразованию. Это обычно отражают в их названии: сигна- лы модулированные, де модул про ванные (детектированные), кодирован- ные (декодированные), усиленные, задержанные, дискретизированные, квантованные и др. Но назначению, которое сигналы имеют в процессе модуляции, их мож- но разделить на модулирующие (первичный сигнал, который модулирует несущее колебание) или модулируемые (несущее колебание). 11о принадлежности к тому или иному виду систем связи различают «связные», телефонные, телеграфные, радиовещательные, телевизионные, из- мерительные, управляющие, служебные (пилот-сигнэлы) и другие сигналы. 123
2.1,3. Шумы и помехи Ft системах СнЯЗи Полезные сигналы редко присутствуют в электрических цепях в чистом виде. Практически всегда на них накладываются шумы и помехи. При этом полезный сигнал искажается при передаче, и сообщение воспроизводится с некоторой ошибкой. I [ричиной ошибок являются как искажения, вноси- мые самим каналом, так н различного вида помехи, воздействующие на сиг- нал при передаче. В собственно устройствах канала передачи информации имеются два основных источника шумов: дискретная структура тока в усили- тельных элементах (транзисторах, микросхемах и тд.) и тепловое движение свободных электронов в проводниках электрической цепи. При этом вре- менные и частотные характеристики канала определяю! линейные искажения. Кроме того, радиоканал может вносить и нелинейные искажения, обуслов- ленные нелинейностью тех или иных его звеньев, цепей или устройств, В общем случае под понюхом понимают случайный сигнал, однородный с полезным п действующий одновременно с ним. Для систем передачи ин- формации помеха любое случайное воздействие на полезный сигнал, ухудшающее верность приема и воспроизведения передаваемых по линии связи сообщений. [ к).иг'б7»у/ тыникнивеиия помехи деляг на внеш и нс и внутренние. Причи- нами внешних помех являются природные процессы и работа различных технических устройств. В диапазонах дециметровых и менее воли имеют значение и космические помехи, связанные с электромагнитными процесса- ми, происходящими на Солнце, звездах и других внеземных объектах. В ди- апазоне оптических частит имеется квинтовый шум, вызванный дискретной природой сигнала. В радиоканалах встречаются атмосферные помехи, обус.KHi.ieiiiiLit’ эле- ктрическими процессами в атмосфере, прежде всего грозовыми разрядами. Сильные помехи создают промышленные установки. Это так называе- мые индустриальные помехи, возникающие из-за резких изменений тока в мощных электрических цепях всевозможных электротехнических уст- ройств. Распространенным видом внешних помех являются помехи от по- сторонних радио- и телестанций, систем военного назначения Они обус- ловлены нарушением регламента распределения частот, недостаточной стабильностью частот rcnopnrt>]Min и плохой фильтрациин гармонии' сигна- ла, а также нелинейными процессами в каналах, ведущими к так называе- мым перекрестным искажениям (проявляются о переносе модуляции с ме- шающего внеполосного сигнала па полезный). Основными видами внешних помех в проводных каналах связи являют- ся импульсные шумы и прерывание связи. Внутренние помехи обусловлены процессами, происходящими при ра- боте самого устройства, В любом диапазоне час то т имеют мес то нн/гренние шумы устройств, связанные с хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, резисторах и других элементах. Аналитически влияние помехи г(£) па полезный сигнал u(f) в общем ви- де можно выразит ь оператором К: 5(0 = Ц.Ф'(О).'W). (2 1) где функция s(u(0) отражает искаженный полезный сигнал. 124
Возможны дна c:<>4f!тання mi.icnioro гнгнала и [пума. Если 1нц‘]вгго]з У fi формуле (2,1) вырождается в линейную сумму сигнальной составляющей и помехи, т.е, 2(f) - 5(f) + /(f), то помеху называют шМнтнвт>й (от англ. addition — Сложение). Если же оператор Кможет быть представлен в виде произведения некото- рого коэффициента A(f) (здесь k(t) - Случайный процесс) и Сигнала й((), т.е. 2(f) - ^(f)if(f), то помеху называют^ф^/пикяимцпидной (от англ. multiplication — умножение). Мультипликативные помехи обусловлены случайными изменениями параметров радиоканала. Они проявляются в изменении уровня сигнала. В реальных каналах передачи информации обычно имеют место и аддитив- ные, и мультипликативные помехи, и поэтому 2(f) - k(t)u(t) + /(г). Поосновным свойствам аддитивные помехи делят натри класса: сосредо- точенные по спектру (узкополосные помехи), импульсные (сосредоточен- ные во времени) и флуктуационные (распределенные по частоте и во вре- мени) помехи, не ограниченные ни во времени, ни по спектру. Сосредоточенными по спектру называют помехи, основная часть мощ- ности которых приходится на отдельные участки диапазона частот, мень- ших полосы пропускания системы связи. Импульсной (сосредоточенной во времени) помехой называют регулярную пли хаотическую последовательность импульсных сигналов, однородных с полезным сигналом. Источниками таких помех являются цифровые и ком- мутирующие элементы цепей или работающего рядом с ними устройства, В зависимости от частоты следования импульсов одна и та же помеха мо* хыт ноц гне I iso:;; it I, к, и; им и г. H:i 11,1Я па н|1.1гуи; ; i i । :-оы :-i i по. Ku ой про- пускания и как флуктуационная на приемник с (ннпгительной узкой поло- сой пропускания. Флуктупциоилан помеха (флуктуационный шум) представляет случай- ный процесс с нормальным распределением — гауссовский процесс (закон Гаусса). Эти помехи имеют место практически но всех реальных каналах связи, и их называют шумами. С физической точки зрения аддитивные флуктуационные помехи порождаются в системах связи различного рода флуктуациями, т.е. случайными отклонениями тех или иных физических величин (параметров) от их средних значений. Среди таких шумов можно прежде всего плава: 1. внутренние шумы электронных усилителей. Различа- ют следующие виды флуктуационных шумов: * тепловой (шум Джонсона); • фликкер-шум (иногда розовый шум); • дробовый (квантовый). Тепловые шумы резисторов. Одной из главных причин возникновения шума являются флуктуации объемной плотности электрического заряда в резистивных элементах из-за хаотического теплового движения носите- лей. В любом резисторе всегда имеются свободные электроны, находящие- ся в хаотическом тепловом движении. При этом может оказаться, что в оп- 125
ределенный момент HpCMCHtl Ii ОДНОМ ||;1П|»аНЛеНИ1[ проходит Г)(1.1ЫНС ji.'K'K- тронов, чем в другом. Значит, даже в отсутствие внешней ЭД С мгновенное значение тока, текущего через резистор, отлично от нуля. Эта мгновенные изменения тока кызы на ю г на вы подах резистора шумовую разность потен- циалов. Среднее значение такого напряжения равно нулю, а переменная со- ставляющая проявляется как шум. Важное значение для систем связи имеет спектр мощное г и шумового напряжения на концах резистора. Его определяют по формуле I [айквиста; и; = 2кт& где R — сопротивление резистора, Ом; k = 1,38 IO-23 Дж/К — постоянная Больцмана; Г — абсолютная температура резистора п градусах Кельвина. Часто удобнее пользоваться односторонним энергетическим спектром, ко- торый задают в области положительных частот [В2/Гг(]: л; - 2 и; - ши. Спектральную плотность мощности теплового шума оценим из такого примера: при Т- 300 Кий- 20 кОм значение Л', - 4 -1,38 -10 23-300-20 000 - = 3,31-10 1(1 В2/Гц, откуда среднее квадратическое значение напряжения У„-3,31 1(Г1вВ/ГцЛ Спектральная плотность мощности теплового шума одинакова для всех частот, тредставляюпшх интерес для большинства систем связи; другими словами, источник теплового шума на всех частотах излучает с равной мощностью на единицу ширины полосы — от постоянной составляющей до частоты порядка 1O1J Гц, Следовательно, простая модель теплового шума предполагает, что спектральная плотность его мощности равномерна идо- статочно точно соответствует модели белого шума (см. далее). Ф ныкквр-шум - ।: г у м, с i ie итрал ьиая пл От i1 (>ст ь ю >т<) ро го t is м с f (я стоя < ч а - стотон по закону 1//(с примерно постоянной спектральной мощностью на декаду - изменение в 10 раз) Часто фликкер-шумом называют любой шум, спектральная плотность которого уменьшается е увеличением частоты. Обычно на частотах выше 10 кГц фликкер-шумами пренебрегают. Дробовой шдо обусловлен неравномерным движением дискретных носи- телей электрическою тока в электронных приборах — диодах, транзисторах, микросхемах и лампах; он нмее г равномерный спектр, т.е. является белым; в отличие от резисторов флуктуации возникают нс за счет хаотического теплового движения электронов, а вследствие статистической независимо- сти их упорядоченного перемещения. Поскольку тепловой шум присутствует во всех системах связи и являет- ся заметным источником помех, характеристики тепловою шума (аддитив- ный, белый и гауссов) часто применяются для моделирования шума в сис- темах связи. Гауссов шум с нулевым средним полностью характеризуется дисперсией, поэтому эту модель особенно просто использовать и при детек- тировании сигналов, и при проектировании оптимальных приемников. По виду частотного спектра помехи делят на стационарный (белый) п нестационарный шумы. Белый шум содержит гармонические составляю- щие с одинаковой амплитудой и случайной начальной фазой, которые рав- номерно распределены практически но всему частотному рад полна] i азо- 126
ну — от постоянной составляющей до частоты порядка 101J Гц. Впюрии нн- тлмилыеОн фильтрации часто вводят [['1НЯТНС К1за;шб['.'](>го шумя (от _кгг. ryia\i — якобы; почти), нщммСГрЫ н характеристики кСпЮррп) близки К нО- казате.' ям белого шума. Нестационарный шум — шум, длящийся коротки!.1 промежутки времени (меньшие, чем время усреднения в измерителях). В зависимости от спектра помехи могут быть сплошными или селектив- ными. Сигнал сплошной помехи характеризуется распределением его мощ- ности по широкому спектру частот. Селективная помеха характеризуется тем, что ее мощность сосредоточена либо на одной частоте, либо в узкой по- лосе частот. Хорошее техническое проектирование может устранить большинство шумов путем экранирования, фильтрации, выбора модуляции и оптималь- ного местоположения приемника. С математической точки зрения информационные случайные сигналы (сигналы случайного характера, несущие передаваемую информацию) и шумы подчиняются одним вероятностным законам, поэтому они получи- ли обобщенное название случайные колебания или случайные процессы. Для анализа случайных сигналов применяют методы статистической те- ории связи, базирующейся на математическом аппарате теории вероятнос- тей и теории случайных процессов. С целью упрощения и наглядности ана- лиза работу электрических цепей часто рассматривают при воздействии детерминировал пых сигналов. Для учета же случайного характера реально- го сигнала в качестве его математической модели используют не отдельную детерминированную функцию и(Т), а совокупность подобных функций (мДГ)) = u^t), u2(t),.... образующих случайный процесс, в котором будет за- ключена полезная информация. 2.1.4. Способы аналитического описания сигналов Широкое применение нашли два способа математического представле- ния сигналов; спектральный л временной. Такое представление возможно вследствие принципа дуальности (от англ, duality — двойственность; на- пример, двойственны сопротивление Л н проводимость У; й = 1/У) частоты и времени, поскольку/= 1 /t.. При временнбм способе анализа сигнал отражают непрерывной функци- ей времени или совокупностью элементарных импульсов, следующих друг за другом через определенные интервалы времени. Временная форма пред- ставления сигнала позволяет определить его энергию, мощность и длитель- ность. Спектральный способ представляет сигналы либо в виде взвешенной суммы гармонических составляющих, либо в виде суммы комплексных экс- понент с частотами, обычно кратными друг другу (образующими арифме- тическую прогрессию). Интегральное преобразование сигналов. При ряде условий для функ- ции и(б), описывающей сигнал во временной области (области определе- ния) 0—7’, существует интегральное преобразование г SO)-A*0- (2.2) о 127
где О ~ задНЕЕная функция (ядро интеграл е>ного преобразования), Здесь и далее комплексные характеристики обозначаются с точкой вверху или указанием среди аргументов мнимой единицы; (y-V-i). Интегральное преобразование позволяет осуществить переход от вре- менной области определения функции к области частоты, Формулу, эоссганондивающую сигнал и(Г) по известной комплексной функ- ции называют формулой обращения интегрального преобразования; т и(г) — |ф(Х, ио)5((и)//щ, (2.3) о гдеф(г, <в) — базисная (foisis) функция. [^ы ряжения (2-2) и {2.3) устанавливают однозначное rot л истинг меж- ду сигналом w(/) и его спектром 5(<й), Комплексная фирма представления сшналон. Чж го при описании и анализе нек<ггорых в11Д1тсигЕг;1т,юн(н первую очередь узкополосных) пы- васт удобной комплексная форма их представления м(0- |«(0к*'’, (2.4) где |н(*)|, ф(0 — соответственно модуль и фаза комплексной величины н(г). Комплексная функция й(г) может быть также нредс riEi.iriia в виде w(f) = Rc(m(0) +/lm(w(O). (2.5) где Re, 1ш — действительная и мнимая части комплексной функции. Из формул (2,4) и (2.5) получим «(*)|”\Ке2(ч(О)- 1н12(ц(0) н *p(i) = arctg— -}J. ке(и(О) По формальному аналитическому представлению сигнал может быть Д(!Й< TESHTILIEsHhIM ИЛИ КОМ П.Н’КС И Ы.М, Т.Е1. СОСТОЯЩИМ ИИ НЕ'НЦ'С'ГНСН НОЙ И МНИ- МОЙ частей. С помощью комплексных чисч'.т удобно записывать гинЕразпую (совпадающую по фазе с некоторым сигналом) и квадратурную (отличаю- щуюся г го фазе от этого сигнала на &0’) составляющие сигнала. Векторное представление сигналов. Комплексную форму сигналов удобно отражать точками на плоскости - одна координата отражает дейст- вительную, вторая — мнимую часть. Тогда сложение сигналов станет сло- жением соответствующих сигналам векторов, а умножение — поворотом векторов на плоскости (с умножением их длин, равным модулям этих чи- сел; углы же. разные аргументам чисел, складывают) Последовательное возведение комплексного числа в степень становится вращением выражаю- щего это число вектора вокруг начала координат. Проекция данного векто- ра ita од tty из осей координат будет представлять нарастающие, затухающие пли же с постоянной амплитудой колебания в зависимости оттого, боль- ше ли единицы модуль данного комплексного числа, меньше или равен ей. Итак, при векторном представлении комплексный сигнал зто вектор па комплексной плоскости с действительной осью осью абсцисс и мни- мой осью осью ординат (рис. 2.4). Вектор на плоскости вращается в по- ложительном направлении {против часовой стрелки) с угловой скоростью са4. Длина этого вектора равна модулю комплексного сигнала, угол между векторам и осью абсцисс аргументу ф((). 1 Iроекции вектора па осн коор- 12В
Im. I Ho I ; 0 Re[u(r)| He Puc. 2.4. Графическое представление комплексной формы сигнала динат раины соответствепно действительной и мнимой частям комплексно- го значения сигнала. Н а амплитудно - фазовой плоскости -диаграмме (i ia одной оси ам i1лм - гуда, a ita другой фаза) сигнал может быть представлен в виде i очки, со- ответствующей концу вектора. Такое представление используют для описа- ния видов модуляции в модемах. Векторное представление сигналов базируется на функциональном анали- зе — разделе математики, объединяющем методы и подходы топологии, клэс- епческого анализа и линейной алгебры it позволяющем создать аналитическую теорию сигналов. В геометрической форме элемент <7в п-мерном простран- стве представляют в виде точки или вектора с координатами uv и.„ иц. При такой интерпретации множеству сигналов ставят в соответствие ли- нейное векторное пространство L. Сигналы в этом пространстве изображают векторами и операции с сиг- налами заменяют операциями С векторами, Если число членов мпожег гнал с г ре мнтг: я к бесконечности, то творят о бесконечномерном 11pot тршитве 11 ростра EEC тм > L называется нормиров/шным, если в нелепа т.е. опре- деленное расстояние между началом координат н какой-либо точкой прост- ранства. Для вещественного и комплексного сигналов, определяемых на интервале — t3 (часто удобнее интервал обозначать как 0 — Г), норма со- ответственно запишется следующим образом: 177 Г77 |и||= I u’dt; II к II = |1 Г, Б н где u*(t) сигнал, комплексно-сопряженный сигналу л (г). Норма представляе г собой геометрическую трактовку линейного прост- ранства сигналов и по своему смыслу соответствует длине вектора сигнала. 1-ще одним фундаментальным понятием линейного пространства сигна- лов является метрика. 11росгранство сигналов называется лйприческгсч^ ес- ли ннелеп способ определения метрики — расстояния d(u, г) между двум и его элементами (здесь — сигналами), например ы(г) и r(f). Метрика — неотрицательное число, которое независимо от способа зада- ния должно удовлетворять ряду известных в математике аксиом (дчя упро- щения нс приводятся). Метрика определяется нормой разности двух сигна- лов w(f) li ?'(г). В связи с этим используют такую аналитическую запись метрики npoci ранства: (2.6) Ч i-.t 129
Пространство функции г равномерной метрикой (2.S) 1щ;ныгщют н-.иер- 11ь/.и енк.чнбоным npt/rinpfiiti ninn.n. IL< л11 математические модели сигналов — комплексные функции, то приходим уже к колп1.гексно.\н( :iiiHeima.\tif прост- ранству. Кроме нормы : । м ri о 11 м । :; во д я 'I скал яр/л и / чро; тел ft пн. /.•>. иг/ш г (и, о) = |м(Ог'(О<Л- Скалярное произведение сигналов (функций) обладает рядом свойств; • (Л.. ия) > 0; • (и, о) = (г, и); * (аи, г1) = а(я, г1), где а — вещественное число; * (ц - и, л) = («. s) + (г< 5). Полное линейное пространство с квадратичной (степенной) метрикой называют вещественным гильбертовым пространством И (по фамилии не- мецкого математика Давида Гильберта — David Hilbert). При анализе комплексных сигналов можно определить комплексное гильбертово пространство, введя п нем скалярное произведение (u, о) = *1 такое что (н, v) - (и, г1)*. Для скалярного про наведения сигналов справедливо фундаментальное неравенство Коши Буняковского Шварца |(^)|<М‘114 Сигнал, описываемый выражением 17 w(O = j I er ъ н-мерный вектор линейного пространства (рис. 2.5). Ортонормнрованная (т,е. ортогональная н нормированная к единице) система базисных функций образует координатную сиг ему в п-мер- ном евклидовом прост ранстве (частномслучае гильбертова), tфункции v^t) представляют собой единичные векторы (орты), коэффициенты сл про- Рие. 2.5 Векторное представление сигнала 130
екции вектора niniaia w(j) на (И'н координат. Координаты нрктпрз — ска- лярное произЕнуцчнк! функций m(j) h v;(/): ci Представление сигналов динамическими моделями. Применяют два способа динамического представления сигналов (рис. 2.6). Согласно перво- му способу в качестве элементарных гнгиалин игно. ibbvhm t tv и гл чаты с функции, возни кающие через равные интервалы времени д (рис. 2.6, а). Высота каждой ступеньки (импульса) равна приращению сигнала на ин- тервале Д. При втором сиогал' ирсдстаплгння элементарными ст налами служат прямоугольные импульсы длительностью Д, Импульсы примыкают друг к другу и образуют последовательность, вписанную в кривую или опи- санную вокруг нее (рис. 2.6, б). Рис. 2.6. Способы динамического представления сигналив (стрелками показаны направления изменения во пртменн элементарных слагаемых); а — ступенчатыми функциями; 5— прямоугольными импульсами 2.1.5. Энергетические характеристики сигналов 11а практике одной из важных составляющих анализа сигналов являет- ся измерение их количественных параметров. 11аиболес часто специалиста- ми используются такие параметры сигнала, как энергия и средняя мощ- ность (и связанное с ней среднее квадратическое значение). Для сигнала u(t) среднее квадратическое значение (СКО, англ, root mean square — RMS) определяется как корень квадратный из среднего квадрата мгновенного значения (корень квадратный из средней мощности) за интер- вал времени г, — iz: U - [—pr«)d£. Однако если энергия и мощность интересуют нас нс как физические ве- личины, а как средство энергетического сравнения сигналов, этот параметр можно из формул исключить (т.е, принять R = 1 Ом). Тогда получим опре- деления энергии п средней мощности, принятые в теории сигналов. Энергия сигнала u(f) [В3-с| за интервал £, — (квадрат нормы сигнала) Э -1|«<0|12 = {«*(*)& 131
Именно такая энергия выделяется Н.Й реЗИСТОреС Сопротивлением i Ом, ес hi на fii'ii зажимы подано напряжение ( i>t :<)•. (/.', 'Jr.'ej- 'Илгг г) " :|г: ала | IГ | на гом же ин it'pBa.H’ вре- мени 1} = 77—fw2UX f2 Г1 I, Для периодического сигнала с периодом Т= t2- t, средняя мощность Р= |ju3(t>Zr. 2.2. Спектральное представление детерминированных сигналов Часто MEi тематическое описание даже несложных по структуре и форме детерминированных сип ia.no es является трудной задачей. Поэтому исполь зуют оригинальный прием, при котором реальные сложные сигналы заме- няют (представляют, а шроксимируют) набором (взвешенной суммой, т.е, рядом) математических моделей, описываемых элементарными функция ми. Это даст важный инструмент для анализа прохождения электрических сигналов через электронные цепи. Кроме того, представление сигнала мо- жет испод 1>эоваться и как исходное при сто описании и анализе. При этом можно существенно упростить обратную задачу синтез сложных сигна- лов из совокупности элементарных функций. 2.2.1. Спектральное представление периодических сип залов рядами Фурье Обобщенный ряд Фурье. Фундаментальная идея спектрального пред- ставления сигналов (функций) восходит к временам более чем 200-летней давности и принадлежит физику и математику Ж. Б. Фурье1. Рассмотрим системы элементарных ортогональных функций, каждая из которых получается из одной исходной — функции-прототипа. Эта функ- ция-прототип выполняет роль «строительного блока*, а искомая аппрокси- мация находится соответствующим комбинированием одинаковых блоков. Фурье показал, что любую сложную функцию можно представить (аннрок- l‘l i М И ро If ill'll ) В Ш1Д1' Ко 11 ('' IИ ОI i 11 .'J 11 бсС Kl В ЕС Ч НО L L С Y М М J1J ря/и 1 KpETI'J IЫ X lil рм OH 11 - четких колебаний с определенными амплитудам и, частотами и начальными фазами. Этой функцией может быть, и ч;н тиогти, ток или напряжении в цели. Солнечный луч, разложенный призмой на спектр цветов, представляет собой физический аналог математических преобразований Фурье (рис. 2.7). Слег, выходя ищи из призмы, разделен в и рост ранг i не на отдельные чн- г । ые цвета. или частоты. В спектре имеется средняя амплитуда на каждой частоте. Таким образом, функция интенсивноетл от времени трансформи- ровалась в функцию амплитуды в зависимости от частоты. Простой пример иллюстраций рассуждений Фурье показан на рис. 2.8. Периодическая, до- статочно с. южная но форме кривая ([ :ч ir. 2.^. ч ) ли сумма дю, х армию и, разных, но кратных частот: одинарной (риг. 2.8, 6) и удвоенной (рис. 2.8, я). 1 Жан Батист Жозеф Фурье 0 B.J Fourier; 1768—1830) — французский математик и физик. 132
Рис. 2.7. Разложение спета на цвета Рис. 2.8. К анализу Фурье; а с ложгии: k(1.ic<hieiiie:;о, я — 1-й и 2-й аппрокс имирующие t'lEriiiL'iiiT При помощи спектрального анализа Фурье сложная функция представ- ляется суммой гармоник, каждая из которых имеет свою частоту, амплитуду и начальную фазу. Преобразив;.....с Фурье определяет функции, представ- ляющие амплитуду и фазу гармонических составляющих, соответствую- щие конкретной частоте, а фаза — начальная точка синусоиды. Преобразование можно подучить двумя разными математическими ме- тодами, один из которых применяют, когда исходная функция непрерывна, а другой — когда она задается множеством отдельных дискретных значений. Если исследуемая функция получена назначений с определенными дис- кретными интервалами, то ее можно разбить на последовательный ряд си- нусоидальных функций с дискретными частотами — от самой низкой, ос- новной или главной частоты, и далее с частотами вдвое, втрое и tjl выше основной. Такая сумма составляющих и называется рядам Фурье. Ортогональные сигналы. Удобным способом спектрального описания сигнала по Фурье является его аналитическое представление с помощью системы ортогональных элементарных функций времени. Пусть имеется гильбертово пространство сигналов и, (г). ЦХО с конечной энерги- ей, определенных на конечном или бесконечном интервале времени (г., г,,). [ 1а этом oi резке зададим бесконечную систему (подмножество) взаимосвя- занных элементарных функций времени и назовем ее базисной: ^(0, ^(0, o2(«f>, ... (2.7) где i - t, 2,3, .... Функции w(t) и ti(() ортогональны на интервале (Г,, г.,), если их скаляр- ное произведение 133
JuttHtH-O, (2.8) при условии что ни одна из этих функций не равна тождественно нулю. В математике так задают е гильбертовом пространстве сигналов ортого- нальный координатный базис, т.е. систему ортогональных базисных функций. Свойство ортогональности функции (сигналов) связано с интервалом их определения (рис. 2.9) Например, два гармонических сигнала &,(г) - - sm(2iit/7’(l) и d,(0 - sin(4nZ/T0) (т.е. с частотами/в - 1/Tft и 2/0 соответст- венно) ортогональны ня любом интервале времени, длительность которою равна целому числу полупернодов Го (рис. 2.9, л). Следовательно, н первом периоде сигналы ut(0 и u2(t) ортогональны на интервале (0, 7’0/2); нона ин- тервале (0, 37^/4) они неортогональны. На рис. 2.9, б сигналы ортогональ- ны из-за разновременности их появления. й*с. 2.9. Ортогональность сигналов: а — на интервале; i? - из-за разновременности появления 11редставление сигнала «(^) элементарными моделями существенно уп- рощается, если выбрана система базисных функций г;(t), обладающих свойством ортонормироеанности. Из математики известно, если для любой пары функций из ортогональной системы (2.7) выполняется условие г, то система функций (2.7) ортонормировании. В математике такую систему базисных функций вида (2.7) называют ор- тонормированн ым базисам. Пусть на заданном интервале времени [fp действует произвольный сигнал u(f) и для его представления используется орто нормированная сис- тема функций (2.7), Проектирование произвольного сигнала u(f) па оси ко- ординатного базиса называется разложением в обобщенный ряд Фурье. Это разложение имеет вид йй Scj'G). (2.9) г-0 где г', - некоторые постоянные коэффициенты. Для определения коэффициентов ^обобщенного ряда Фурье выберем одну из базисных функций (2.7) г?/£) с произвольным номером k. Умножим обе час тн разложения (2.9) на эту функцию и проинтегрируем результат по времени: г “ г г, Г“0 fi 134
Вследствие С1[гг<т(фмир[|ц;!1111[н:т11 бчинг;: ныбрщшых функций н праной части этого равенства все члены суммы при i * k обратятся в нудь, I кнуле- вым останется только единственный член суммы с номером i - k, поэтому Г-. (2-Ю) fi Произведение вида с^(г), входящее в обобщенный ряд Фурье (25), пред- ставляет собой спектральную соспжшшнщро согнала w(f), а совокупность ко- ;-я|фицж'итон (проекций векторов си гнала на оси координат) {cD,ct1 с^и, полностью определяет анализируемый сигнал a(t) и называется его спект- ром (от лат, spectrum — образ). Суть спектрального преск-так/тниии {анализа) сигилы cot тел it в опреде- лении коэффициентов ся в соответствии с формулой (2.10). Выбор рациональной ортогональной системы координатного базиса функций зависит от цели исследований и определяется стремлением мак- симального упрощения математического аппарата анализа, преобразова- III Г? II tjup. irtj’l КН Li i: II 1,1 V IJ ICI TI'C TUO u. I lilt "H.IX :||\ |||,ЦГЙ П 11” ; I : Ullin I- 1ЦИ .4 j: используются полиномы Чебышева, Эрмита, Лагерра, Лежандра и др. Наи- большее распространение получило преобразование сигналов и базисах гармонических функций; комплексных ;)кгно1и.'11цн;:1.,[|>нык exp(/2n/j) и ве- щественных тригонометрических синусно-косинусных функций, связан- ных формулой Эйлера е1' = cost +jsinx. Это объясняется тем, что гармони- ческое колебание теоретически полностью сохраняет спою форму при прохождении через линейные цепи с постоянными параметрами, а изменя- ются при этом лишь его амплитуда и начальная фаза. Также широко ис- пользуется хорошо раЗрабо'ГгШПЫМ н теории цепей сим вол иясский ме тод. Операцию представления детерминированных сигналов в виде совокупно- сти постоянной составляющей (constant component) и суммы гармоничес- ких колебаний с кратными частотами принято называть спектральным раи- jio,псением. Достаточно распрос раненное использование в теории сигналов обобщенного ряда Фурье связано также с его очень важным свойством; при выбранной ортонормированной системе функций гд.(г) и фиксирован- ном числе слагаемых ряда (2.9) он обеспечивает наилучшее представление заданного сигнала w(0- Это свойство рядов Фу|1ье широко известно. При спектральном представлении сигналов наибольшее применение полу- чили ортонормироваппые базисы тригонометрических функций. Это обус- ловлено следующим; гармонические колебания наиболее просто генериро- вать; гармонические Сигналы инвариантны Относительно преобразований, осуществляемых сгв[[иопг1рнымн линейными :).'] е к г| тнче-гк и ми цепями. Оценим временное и спектральное представления аналогового сигнала (рис. 2.10). Е Li рис. 2.10, а показана временная диаграмма сложного по фор- ме непрерывного сигнала, а на рис. 2.10, б — его спектральное разложение. I’\|:, 11:: I \| CH, L" 1.1 .11,11 1'. . (С I, • :|1- И г |: 11. I. .: Г li'TLTX : III II.! I.i I Ii I :| - де суммы либо гармонических функций, либо комплексных экспонент с ча- стотами, образующими арифметическую прогрессию. Периодическим называют сигнал и,,(^). повторяющийся через регуляр- ные интервалы времени (рис. 2.11): где Т — период повторен и я или следования импульсов; и - 0,1,2,.... 135
А мп литу ла Амплитуда Рис. 2./Л Спектральное представление аналогового сигнала: я - временная диаграмма; б - амплитудный спектр Рис, 2,1 Л Периодический сигнал Если Г является периодом сигнала w(f). то периодами будут и кратные ему значения: 27’, ЗТ и т.д. Периодическая последовательность импульсов (их называют видеоимпульсами) описывается ныражнением “(О- S ц,а-«П (2-11) н»-» Здесь u0(t) — форма одиночного импульса, характеризующаяся ампли- тудой (высотой) /1 - Е, длительностью т„. периодом следования Т— 1 /E(F — частота), положением импульсов во времени относительно тактовых точек, например f = 0. При спектральном анализе периодических сигналов удобна ортогональ- ная система (2.7) в виде гармонических функции с кратными частотами: I. sin ю/, cose^t, аш2юф cos2co,t,..., sinwtt, cos new/, (2-12) гдещ, _ 2тг/Г — частота следования импульсов. Вычисляя инте["ралы, но формуле (2.8) легко убедиться в ортогонально- сти этих функций на интервале | Т/2, Т/2] Любая функция удовлетворя- ет условию периодичности (2.11), поскольку частоты их кратны. Если сис- тему (2.12) записать как i' [ rj 12 [2 '2 '2 (2~ ,i—. J— costa/. J—sin(o,r.sin2to,r. J—cos2co,r, ..., J—сояяи/, J—sin?«o/, то получим ортонормировании й базис гармонических функций. 11редставим периодический сигнал наиболее распространенной в теории сигналов гприлл(а»е>прическо!1 (синуспо-косинусной) формой ряда <|зурье: а № п(г) ~ тг 1 X («„соядсй/ -I- ^sinmu^). 2 л-1 (2.13) U6
Pl;j курса математики известно, что разложение' (2.11) сущсч тнует. т.е. ряд сладится, если функция (в данном случае сигнал) u(t) на интервале | -Г/2, Г/2] удовлетворяет (в отличие от теоремы Дирих- ле ил часто трактуют упрощенно); • не должно быть разрывов 2-го рода (с уходящими в бесконечность вет- вями); • функция ограничена и имеет конечное число разрывов 1-го рода (скачков); • функция имеет конечное число экстремумов (т е. максимумов и мини- мумов). В формуле (2.13) имеются следующие компоненты анализируемого сиг- нала: • постоянная составляющая 2 Т ап” Т J (2И) ‘ -Т/1 * амплитуды косинусоидальных составляющих 2 Г/2 (<, = “ J utOcosraos.fsfc (2.15) 1 Т 2 • амплитуды синусоидальных составляющих 2 Т>' 2 ~ J (2.16) / fa Спектральную составляющую с частотой oj, в теории связи называют первой (основной) гармоникой, а составляющие с частотами лю, (n > 1) — высшими гармониками периодического сигнала. Шаг по частоте Дщ между двумя соседними синусоидами из разложения Фурье называют частотным разрешением с пектра. Если сигнал представляет собой четную функцию времени u(j) = u(—t), то н тригонометрической записи ряда Фурье (2.13) отсутствуют Си нугои- .Vijiitiiiji1 коэффициенты /j,,. так кд к к соответствии С формулой (2,16) они обращаются в нуль. Для Сигнала н(г), описываемого нечетной функцией времени, наоборот, согласно формуле (2.15) нулю равны косинусоидаль- ные коэффициенты «„ (постоянная составляющая «lf также отсутствует), и ряд содержит составляющие Ья. Пределы интегрирования (от -Г/2 до Т/2) не обязательно должны быть такими, как в формулах (2.14)—(2.16). Интегрирование может произво- диться по любому интервалу времени шириной Т — результат от этого не изменится. Конкретные пределы выбираются из соображений удобства вы- числений; например, может оказаться проще выполнять интегрирование от О до Гили от -Г до 0 и т.д. Раздел математики, устанавливающий соотношение между функцией вре- мени м(г) и спектральными коэффициентами ЬЙ, называют гармоничес- ким анализом вследствие связи функции u{t) с синусоидальными и косину- соидальными членами этой суммы. Далее спектральный анализ а основном ограничен рамками гармонического анализа, находящего исключительное применение. 137
Часто применение {uiiYriio-KOCHnyeiiiiii формы ряд;] Фурк1 не гши/ем удобно, । юскольку для каждого значения индекса суммирования и (т.е, для каждой гармоники с частотой пи,) в формуле (2.13) фигурируют два слагаемых — косинус и синус, С математической точки зрения удобнее эту формулу представить эквивалентным рядом Фурье в бсщестгемнои форме: it(t) = An + 5а„С08(ли^ - фя)г (2.17) л-1 где Ао - д/2; А„ = - амплитуда; ср, - arctg^/aj - начальная фаза «-и гармоники сигнала. Иногда в соотношении (2.17) перед ф„ ставят знак силюсь, тогда начальную фазу гармоник записывают как <ря - arctg (йуаД В теории сигналов широко используют комплексную форму ряда Фу- рье. Они получается из вещественной формы ряда представлением косину- са в виде полусуммы комплексных экспонент по формуле Эйлера: cosx = 0.5(₽>1'+ ₽ А). (2.18) Применив данное преобразование к вещественной форме ряда Фурье (2.17), получим суммы комплексных экспонент с положительными и отри- । ь ггел ь । [ы ми । кжазатё. । и м 11: ™ А lt(f)-A0 + Е ₽,,) (2.19) г/ 1 2 А теперь будем трактовать в формуле (2.19) экспоненты при частоте в, со знаком «минус* в показателе как члены ряда с отрицательными номера- ми. В рамках этого же подхода коэффициент А,, станет членом ряда с нуле- вым номером. После несложных преобразований приходим к комплексной форме ряда Фурье оо «(0 = (2.20) ff— - w где Т/2 с, = С,(» = - J и(г)е^'Ф (2.21) 1 -Т/2 — комплексная амплитуда л-ii гармоники. Значения Ся по положительным и отрицательным номерам я являются ком п леке ho-coi i ряженными. Отмстим, что ряд Фурье (2.20) представляет собой ансамбль комплекс- ных экспонент exp(jn(Dtf) с частотами, образующими арифметическую про- грессию. Определим связь между коэффициентами тригонометрической н ком- плексной форм ряда Фурье. Очевидно, что со= Ч| = Л=ойД; СЛ= с;| = |Сг| = Ад/2, Можно также показать, что коэффициенты ан - 2С,^мфл; Ьл - 2Сязшфи, Если u(t) является четной функцией, коэффициенты рядаСя будут веще- ственными, а если a(t) — функция нечетная, коэффициенты ряда станут зшимъши.
Спектральное ирелетателен nt: нсриОДИЧССКОГО <‘i inui'ia комплексной фир- мой ряда Фуръе (2.20) содержит как положительные, гак и [ггрнцитглЕ>1и>щ частоты. Ио <ггриц;1тельные частоты в природе не гущесгнуют', и ото м;гп!- м;ет11Ч('гк;ея абетрисцпя (фиинчесi.riii смысл orpin (ягельной чэгппы — вр;|- гцеппе ii iLiiqiJiii.'ieHHH, ]||)1Л'ив<ш[и|[)ЖЕ[ом тому, киТЕ^ни:1 принято h;i ini.ni»:ti- ТСЛЬНОе). Они ЕЕСЕЯ HjIЯ]О тсН как еЛСДГТЕПЦ’ ф[|]]М;Ь1Е1Е1ОГ<Е 11]ГеД<ТаЕЗЛе111-1Я тар мои и четких коле'еЗлппи ко mi отеке ной <|н)рм[)й. При 11С]н.‘хидс от ком- II. leECE Hoii (|>ормы записи (2.20) к Heiiv’CTHt'iiiiou (2.17) отрицательная чисто- та пропадает. Наглядно о спектре сигнала судят но его 1рафическому изображению — Спектральной диаграмме (рис. 2.12). Различают а.мп.чптудио-частотньн' и фаза -частотны/! спектры. (..'опоку шик'ть амплитуд гармоник .4 (рщ:, 2.12, а) на. ня на ют амплитудным спектром, их ф;ы (рис, 2.12, (?) - фалоным спектром. СоВОкуИЕЕОС'гЬ Сл = Ся| является комплексным ампли- тудным спектром (рис. 2.12, и). На спектральных диаграммах по ш и абсцисс отклады ндют текущую частоту, а по осн ординат — либо НЕ'щеЕ’тнснЕгую, .1И- 00 комплексную амплитуду или фа;ш соогксгсгиуепщегх гармонических го- ста нля юн lux анализируемого Сигеила. Рис. 2.72. Спектры периодического сигнала: л — амплитудный: й - фазовый; в - амплитудный спектр комплексно о ряда Фурье Спектр периодического сигнала называют линейчатым или дискрет- ным, так как он состоит из отдельных линий с высотой) равной амплитуде Ап гармоник. Из всех видов спектров наиболее информативен амплитуд- HEiLii. поскольку он по;-1ноляе1 оценить количественное содержание тех ИЛИ иных гармоник в частотном составе сигнала. kJ теории сигналов доказано, что амплитудный спектр есть иетнаи функция частоты, а фазовый — нг- не tn пгт. Отметим эквидистантность (равноудаленность от начала координат) комплексного спектра периодических сигналов: симметричные (положи- тельные н отрицательные) частоты, на которых расположены спектраль- ные коэффициенты тригонометрического ряда Фурье, образуют эквидис- тантную последовательность (.... .... -2«г -сог 0, r 2©p ..., н<ор...), содержащую частоту о = 0 и имеющую шаг и, = 2к/Т. Коэффициенты мо- гут принимать любые значения. Пример 2.1 Рассчитаем амплитудный и фазовый спектры периодической последова- тельности прямоугольных импульсов с амплитудой F, длительностью т,, и пери- одом повторения Т. Сигнал — функция четная (рис. 2.13). 139
I -Т -т/2 0 г,/2 Г Рис. 2.73. Последовательность прямоугольных импульсов Решение Известно, что идеальный прямоугольный видеоимпульс описывается следу- ющим уравнением: W - £(<r(r । т„/2> и(Г V2)), т.е. он формируется как разность двух единичных функций ^(О (функций включения), сдвинутых во времени на т„. Последовательность прямоугольных импульсов представляет собой извест- ную сумму одиночных импульсов: и(Г) = Е f(u(/ + *Т- т.,/2) -a(f - tr- т„/2)). *-0 Поскольку заданный сигнал является четной функцией времени и в течение одного периода действует только па интервале |т /2, t /2|, то согласно формуле (214) rtu 1 Г 2 ~Т ' Е _ Е q' где q = Т/чя. Анализируя полученную формулу, можно заметить, что период следования и длительность иыиулЕ>сов входят ii псе в виде отношения. Этот параметр q сп ношение периода к длительности импульсов называют скважностью периоди 'll I\oi: I ос ir.ir:,.; и-i-.iir:-!- irivur i J г .. и г| и i ;. :г н-.н -г оСКВЗЖ поста используют обратную величину — коэффициент зйпахнения, от англ, duty cycle t равный rH/T); при у = 2 последовательность прямоугольных импульсов, когда длительности импульсов и промежутков между ними становятся равны- ми, называют лгеанйрсм* (от греч. patavBpoi; узор, геометрический орнамент), В силу четности функции, описывающей анализируемый сигнал, в ряде Фу- рье наряду с постоянной составляющей будут присутствовать только косинусо- идальные составляющие (2.15): 2 fln - т 7 2£sin(nffl.tL/2) EctKHM.tdt = - —-—1 ' /л <f ’w>iT„/2 (2.22) В правой части формулы (2.22) второй сомножитель имеет вид элементар- ной функции (sinjc)/x В математике эту функцию обозначают как sinc£r), ipn- чем только при значении .г - 0 она равна единице (lim (sinx/x) = 1), проходит дг—О через нуль в точках т - д. ±2п. ... и затухает с ростом аргумента т (рис. 2.14). Окончательно тригонометрический ряд Фурье (2.13), который аппроксимирует заданный сигнал, записывают в форме Ef » sinfw^V2) 1 П(С) = — 1 + 2 У ---—— СО5ЛИД . Ч ( , J (2.23) 140
Put:. 2.14. I риф ПК функции SilLX/X Функция sine имеет лепестковый характер. Говоря о ширине лепестков, следует подчеркнуть, что для графиков дискретных спектров периодических сигналов возможны два варианта градуировки горизонтальной оси — в номерах гармоник и частотах. Например, на рис. 2.14 градуировка оси ординат соотве т- ствует частотам. Ширина лепестков, измеренная в числе гармоник, раина скважности последовательности. Отсюда следует важное свойство спектра по- следовательности прямоугольных импульсов — а нем отсутствуют (имеют ну- левые амп,1 итуды) гармоники с номерами, кратными скважности, При скваж- ности импульсов, равной трем, исчезает каждая третья гармоника. Если бы скважность была бы равна ДВум, то В спектре остались бы jiiiiihi нечетные гар- моники ОСНОВНОЙ частоты. Из формулы (2.22) и рис. 2.1.4 следует, что коэффициенты ряда вы с лих гар- моник сигнала имеют отрицательный знак. Это связано с тем, что начальная фа- за этих гармоник ровна л, Поэтому формулу (2.22) принято представлять в из- мененном виде; При такой записи ряда Фурье значения амплитуд всех высших lapMon и чет- ких составляющих на |рафике спектральной диаграммы положительны (рис. 2.15, а), '.I | II \. Uli. II < I :ч. I р :и к. ан и не-.-.nor г г.. .1авг :т i 1 о г о г no in пня периода повторения Т и длительности импульса t„, т.е. от скважности //. Расстояние по частоте между соседними гармониками равно частоте следова- ния импульсов ш, - 2п/Г Ширина лепестков спектра, измеренная в единицах частоты, равна 2я/тл, т.е. обратно пропорциональна длительности импульсов. Отметим, что при Одной и той же длительности импульса г , с увеличением пе- Рис. 2.15. Спектры последовательности прямоугольных импульсов: а — амплитудный; 6— фазовый 141
риода их повторения Т основная частота й), уменьшается и спектр становится плотнее. Ту же картину наблюдают, если укорачивают длительность импульса ти при неизменном периоде Г Амплитуды всех гармоник при этом уменьшаются. Это проявление общего закона {принципа неопределенности В, Гейзенберга - Uncertainty principle)', чем короче длительность сигнала, тем шире его спектр. Фазы составляющих определим из формулы фл - arctg(&ye^). Так как здесь коэффициенты Ь„ - 0, то О = arctg — = imir, (2.24) где m = 0.1. 2,.... Соотношение (2.24) показывает, что при вычислениях фаз Спектральных со- ставляющих имеем дело с математической неопределенностью. Для бе раскры- тия обратимся к формуле (2.22), согласно которой амплитуды гармоник перио- дически меняют знак в соответствии с изменением Знака функции sinfno^T^), Изменение знака в формуле (2.22) эквивалентно сдвигу фазы этой функции на к. Следовательно, когда данная функция положительна, фаза гармоники q>„ = 2mn, а когда отрицательна — <р„ = (2m - 1 )л (рис. 2.15, б). Заметим, что хотя амплиту- ды составляющих в спектре прямоугольных импульсов л уменьшаются с ростом частоты (см. рис. 2.15. в), этот спад довольно медленный (амплитуды убывают обратно пропорционально частоте). Для передачи таких импульсов без искаже- ний необходима бесконечная полоса частот канала связи Для сравнительно ма- лозаметных искажений граничное значение полосы частот должно быть во мно- го раз больше значения, обратного длительности импульса. Однако псе реальные каналы имеют конечную пологу пропускания, что приводит к искаже- ниям формы: переданных импульсов. Ряды Фурье произвольных периодических сигналов могут содержать бесконечно большое количество членов. При расчетах спектров таких сир- пал он вычисление бесконечной суммы ряда Фурье нызынглгт определенные трудности и ие всегда требуется, поэтому ограничиваются суммированием конечного количества слагаемых (ряд «усекают*). Точность аппроксимации сигнала зависит от числа суммируемых со- ставляющих. Рассмотрим это на примере аппроксимации суммой нз вось- ми первых гармоник последовательности прямоугольных импульсов (рис, 2.16). Ci и ннл имеет вид однополярного меандра с периодом повторе- ния 7’ амплитудой Е = I и длительностью импульсов т,, = 7/2 (заданный сигнал — функция четная — рис. 2.16, д; скважность q - 2). Аппроксимация показана на рис, 2.16, б, пр.ем на графиках показано число суммируемых гармоник. В проводимой аппроксимации заданного периодического сигна- ла (см. рис. 2.13) тригонометрическим рядом (2.13) суммирование первой и высших гармоник будет осуществляться только по нечетным коэффициен- там п, так как при четных их значениях и длительности импульса т„ = Т/2 = - тт/си, величина gir^ntOjt^) - $1п(яя/2) обращается в нуль. Тригонометрическая форма ряда Фурье (2,23) для заданного сигнала имеет вид Е 2Е£ sin(ffn/2) ,n»r, w(r)— + — У ' -----------cosma.L (2.25) 2 it,, ; « 142
Рыс 2.76’. Формирование .меандра суммой" гармоник ряда Фурье: л — зала। гпы i s сигнал; 6 — ггрпмсжутсvn i ые стадтг сум мп ргжагп i я Для удобства представления ряд Фурье (2.25) можно записать упрощенное Из формулы (2.26) очевидно, что гармоники, аппроксимирующие ме- андр, нечетны, имеют чередующиеся знаки, а их амплитуды обратно про- порциональны номерам. Отметим, что последовательность прямоугольных импульсов плохо подходит для представления рядом Фурье — аппроксима- ция содержит пульсации и скачки, а сумма любого числа гармонических со- ставляющих с любыми амплитудами всегда будет непрерывной функцией. Поэтому поведение ряда Фурье в окрестностях разрывов представляет осо- бый интерес. Из графиков рис. 2.16, б нетрудно заметить, каке увеличени- 143
<?м числи суммируемых гармоник pe.iv.iiiтируинцзя функция нс*? точнее приближается к форме исходного сигнала «(t) везде, кроме точек ее разры- на- В окрестности точек разрыва суммирование ряда Фурье дает наклон- ный участок, причем крутизна наклона результирующей функции возрас- тает с увеличением числа суммируемых гармоник. Н самой точке разрыва (обозначим ее как t = Q ряд Фурье w(f„) сходится к полусумме правого и левого пределов; и(Га) = -I lira ы(О + li.m u(t) [ la примыкающих к разрыву участках аппроксимируемой кривой сумма ряда дает заметные пульсации, причем на рис. 2.16 видно, что амплитуда основного выброса птах пульсаций не уменьшается с ростам числа сумми- руемых гармоник он лишь сжимается по горизонтали, приближаясь к точ- ке разрыва. При п • с» в точках разрыва амплитуда выброса остается постоянной, а его ширина будет бесконечно узкой. Нс изменяются и относительная амплитуда пульсаций (по отношению к амплитуде скачка), и относитель- ное затухание; изменяется только частота пульсаций, которая определяет- ся частотой последних суммируемых гармоник. Это связано со сходимос- тью ряда Фурье. Обратимся к классическому примеру; достигнете ли вы когда-нибудь стены, если с каждым шагом будете проходить половину ос- тавшегося расстояния? Первый шаг приведет к отметке половины пути, второй — к отметке на грех его четвертях, а после пятого шага пройдете уже почти 97% пути. Вы почти дошли до цели, однако сколько бы вы еше iiianm вперед ин сделали, никогда не достигнете ее в строгом математиче- ском смысле. Можно лишь доказать математически, что к koi пн1 концов ны сможете приблизиться на любое заданное сколь угодно малое расстояние. , йшиое ;itJKH.i;rre.ibtnso будет ?!кннвалентно демонетрнцпи того, что сумма чисел 1/2,1/4,1/8,1/16 и т.д. стремится к единице. Это явление, присущее всем рядам Фурье для сигналов с разрывами 1-го рода (например, скачка- ми, как на фронтах прямоугольных импульсов), называют эффектом Гиббса1. При этом значение первого (самого большого) выброса амил пу- ды в аппроксимируемой кривой составляет около 9% уровня скачка (см. рис. 2.16, л = 4). Эффект Гиббса приводит к неустранимой погрет и ости аппроксимации периодических импульсных сигналов с разрывами 1-го рода. Эффект име- ет место при резких нарушениях монотонности функций. На скачках эф- фект максимален, во всех других случаях амплитуда пульсаций зависит от характера нарушения монотонности. Для рвда практических приложений эффект Гиббса вызывает определенные проблемы. Например, в звуковос- производящих системах это явление называют «звоном» или «дребезгом». [ 1рн этом каждый резкий согласный или другой внезапный звук может со- провождаться коротким неприятным для слуха звуком. Ряд Фурье может быть применен нс только для периодических сигналов, по и для сигналов конечной длительности. При этом оговаривается времен- 1 Джаншся ]’|1<к1с (J. Giblin. 1859—1903) — американский фияпк и uhiwitiik, (1д»Е1 ин <к- вивогюлажникон химической термодинамики н статистической физики. 1J1
ЕЕфЙ И F 11'1,1] НЩЛ, ДЛЯ К1>ТО]]ОГО СТ] ЮН ГСМ |)ЯД Фу [ИЯ', Л Н [|("ГИ.1 Ы I ЫС МОМЕНТЫ времени Сигнал гчитретгя ]iiiBH!iiM нулю. Для расчета к,о;и|н|нщт'нтон ряда ТЙКОЙ ПОДХОД Означает JWjpNwUWCA'W продил.ж.епце С и it । ала за грин [щами ]jatсм;п ।)ина*!м()i t) ин 144)вала. Отметим, что и пргцюда ( напри мер, Слух w.'wmt'K») iici ю.'пиусг нриЕЕЦнн гармонического анализа ch гнилое!. Виргуалиное i[[ico6]]a;fOE!aiini,‘ CDvpi.r че- ловек нронлноди г всякий раз, когда слышит звук: ухо автом&тнчески вы- полняет это, представляя звук н виде спектра последовательных значений гром кости для гонов различной ныуоты, Мозг человеки превращает эту ин- формацию в воспринимаемый звук, [ ap.MOEi ическин синтез, В теории сигналок наряду с гармоническим ана- лизом сигналок п1И]ин«| ncmi.'iEiayioE' гармонический citninc:i — получен nt! за- данных колебании сложной формы путем суммирования ряда гармоничес- ких составлякпцих их спектра. По существу HEiitiie был нроЕзелен синтез периодической последовательности прямоугольных импульсов СУММОЙ ИИ ряда 1^9рмоник, На практике аги операции выполни юг на комньЕогерс, как ЭТО показано на рнс, 2,16, о. 2,2,2, Спектральное предстанленне непериодических сигналов с [lOMoni.hEo преобразований Фурье Метод рядов Фурье допускает определенное обобщение, позволяющее получать спектральные характеристики и непериодических сигналов. Преобразование Фурье (Роиtier transform) является инструментом снек । рального анализа непериодических (импульсных) сигналов (их еще назы- вают финитными. г.с. пространственно ограниченными). Такие сигналы от личны от нуля только на ограниченном интервале времени. Очевидно, что импульсный сигнал будет иметь н конечную энергию если только он не содержит разрывов второго рода (с уходящими н бесконечность ветвями функции). Для иллюстрации перехода от ряда к интегральному i [реобразованню Фурье применяют не вполне строгий математически, но зато понятный аналитический подход. В теории спектрального представления непериоди- ческих импульсных сигналов используют искусственный прием, формаль- но (мысленно) заменяя одиночные сигналы периодическими с бесконечно большим периодом следования Т —► оо (рис. 2,17). Положим, что некая функция ti(t} аналитически описывает одиночный импульсный сигнал ко- се О г а Т Т/2 О Т/2 Т О Рис. 2.17. Непернодическне сигналы: а — одиночный импульс: и - условное периодическое предстэвлЕние 145
начетом длительности (рис, 2,17, <<), Мысленно дополнив его такими же им- пул иными сигналами, следующими с некоторым интервалом Г (штрихо- вые импульсы на рис, 2,17,б), получим периодическую последовательность аналогичных импульсов мк(О = и(/ ± п7), Для того чтобы вне искусственно введенного интервала времени [О, Г| исходный сигнал был равен пулю, необходимо увеличить период повто- рения этих импульсов, В пределе, при увеличении длительности периода п Т-юо , все импульсы уйдут вправо и влево в бесконечность и периодиче- ская последовательность импульсов м#(£) вновь станет одиночным импульсом ы(£). В этом случае выражения (2.20) и (2.21) сохраняют смысл. Подставив соотношение (2.21) в формулу (2.20), запишем периодическую функцию «Л0 Так как период следования импульсов Т- 2?t/fo|f то «я(0=^- S I j w(/)£ zn Л--=«Д Т/2 / (2.27) I ктрудно заметить, что при увеличении периода следования импульсов Т гармоники располагаются ближе друг к другу но частоте (линейным спектр становится все более плотным), а амплитуды спектральных состав- ляющих становятся вес меньше. При этом вид вычисляемого интеграла (2.21) нс меняется. В предельном случае, когда Т —* со, равные расстояния между спектральными линиями уменьшатся настолько, что спектр станет фактически сплошным, а амплитуды спектральных составляющих окажутся бесконечно малыми. При этом частота следования импульсов <d]-2r/7"—- 0 и превращается к rim, дискретная переменная гмв1 — н мгновенную (теку- щую) ’ЫЕ готу <11, асумма |рШН(])Ор.МИруГ1ТЯ 11 HUTETpJL'I. П<?Р подичее кая no- следо нагель ноет Es импульсов м„(0 станет одиночным импульсом !<(£)> и формула (2.27) запишется в виде м„(О = ' I 2п J,\A (2.28) Интеграл в скобках в формуле (2.28) есть комплексная функция часто- ты, Обоаначни его DO 5(ш) = Х/и) - J u(t)s (2.29) —ОТ получим DO ы(£) “ т~ { - Я -ОС (2.30) С точки зрения преобразований Фурье физический смысл аргумента функции и (время t или координата .г) не играет роли. Однако интуитивно более легко воспринимаются результаты разложения функций време- ни ы(г). 146
Соотношения (2.29) н (2.30) носятфундймсн'|‘н1и,ня[ь[й характер в теории сигналов и определяют соответственно йрлмое и обратное преобразования Фурье (direct, inverse Fourier transform). Of in связывают между собой веще- ственную функцию времени и(1) и комплексную функцию частоты 5(св). Если использовать не угловую частоту си, а циклическую/= и/(2л), то формулы прямого (2,29) и обратного (2.30) преобразования Фурье ста- новятся еще более симметричными, отличаясь лишь знаком в показателе экспоненты: 00 <50 Л/)= ju(t)e™dt ы(£) “ J.<(/>?'W/. -QO -OO Преобразован и я (2.29) и (2.30) гущгстнуюг, гели анализируемая функ- ция н(л) удовлетворяет условиям Дирихле (по аналогии с периодическим сигналом), к которым добавляется требование абсолютной интегрируемос- ти сигнала со / p<0|c/f < СО. (2.31) -СО Итак, прямое преобразование Фурье (2.29) ставит в соответствие сигна- лу, заданному во времени, его спектральную функцию. При этом осуществ- ляется переход ьз временной области е частотную. Преобразование Фурье является нзз и.мн c-ОД позначным, поэтому представление сигнала в частотной области (спектральная функция) содержит ровно столько же информации, сколько и исходный сигнал, заданный во временнбй области. Спектральная плотность — комплексная функция частоты, одновременно несущая ин- формацию как об амплитуде, так и о фазе гармоник. Поскольку интеграл Фурье (2.29) содержит непрерывную последова- тельность спектральных составляющих сигнала с бесконечно малыми амп- литудами, то функцию5((») называют спектральной функцией (спектраль- ной плотностью или просто спектром). Она характеризует интенсивность сплошного распределения амплитуд гармоник непериодического сигнала вдоль осп частот. В этом основное отличие спектральной плотности непе- риодического сигнала от дискретно го спектра периодического сигнала, в котором каждая гармоническая составляющая имеет определенное значе- ние частоты и отстоит от соседней на си, - 2п/Т. Дискретный спектр периодического сигнала и спектральная платность непериодического сигнала имеют разные размерности. Размерность ампли- тудного спектра периодического сигнала совпадает с размерностью самого сигнала — [BJ или [А], а размерность спектральной плотности амплитуд оп- ределяется отношением размерности сигнала К размерности частоты - [В/Гц] или | А, I ц|. Поскольку анализируемый непериодический сигнал u(t) и он спект- ральная плотность 5(ш) взаимнооднозначно связаны прямым и обратным преобразованиями Фурье, то последние позволяют аналитически отыскать спектральную плотность по заданной форме сигнала, и наоборот, его форму по полученной спектральной плотности. В общем случае J(<o) является ком- плексной величиной. Как комплексная величина она записывается в виде 5(ю) - |5(ю) |е^н\ 147
ГДе |5(и)|, ф(й>) — Соответствен ни модуль и аргумент комплексной неличи- IIи, Т.е, ^mii.'ih гудный и фазоный спектры 1чггн;)л,1. Прямое пр('оор;|;юн.;11111(! Фурье 4(tihh[U’iiiii;lt;i u(t) всегда диет вещест- венную функцию частоты fir и нечетного сигнала u(l) — мнимую функцию частоты. Нетрудно показать, ч то ннтограл f u(t.)e^dr = S(-w) = S’(fa) <2.32) —ЙО представляет собой комплексно-сопряженную спектральную плотность не- периодического сип 1ала. Симметрия преобразований Фурье (взаимозаменяемость частоты и времени). Преобразования Фурье вещественных сигналов в комплекс- ной области несимметричны по /. При переходе от прямого преобразования Фурье к обратному необходимо изменение знака при/ Вместе с тем в пре- образованиях имеется и существенная симметрия. Пусть четному сигналу н(#) соответствует вещественный спектр 5<<а), который, в свою очередь, бу- дет являться четной функцией частоты га, тогда четному сигналу 5(i) дол- жен соответствовать спектр бг(га) = 2пи(<в). Именно ^взаимозаменяемость* аргументов f и и, входящих в ядро оргонормированного базиса ехр(±щ)£)г и подразумевают, говоря о симметрии (дуальности) пары интегральных преобразований Фурье (2.29) и (2.30). Симметрия очевидна, если рассмат- ривать комплексные сигналы. Данное свойство удобно использовать в тех случаях, когда по известной паре преобразований Фурье можно найти вре- менную функцию, спектр которой соответствует временной функции изве- стного сигнала, и наоборот. Пример 2.2 .Задан прямоугольный импульс напряжения, имеющий амплитуду Е и дли- тельность т„ (рис. 2.18, а). Определим его спектральную плотность. Решение Поскольку анализируемый прямоугольный импульс расположен на времен- ном интервале [ т„/2, т„/2|, то в соответствии с формулой (2.29) получим V , г" SUl(Urt_/2) J Eft -" (it = £ j (eosfrtr-ysintor)^ = . (2.33} -4 j т./2 w 1 [а рис. 2.18, б показан модуль спектральной плотности 5(tu) = иссле- дуемого прям оу голь лого импульса. 2 W=- Рис. 2.18.1 [рямоупэльный импульс: а — временная диаграмма; 6 — нодуль спектральной плотности 1-1Н
Сраннин НЕ1Гр;Г4и:!Н tIH ДЛЯ Cl ПЛОТЕГОГТП ОДИПОЧЕЕОГП 11])ЯМ11- угОдьмот импульса (2,33) и спектра их периодической посчеДОВатеЛЬНОС- 111 (2.22), находим, ч то модуль спекrpii.iEiiioii ii.'ioti нести и оечеГеиннееня r;i]i- моник ди1:к]Н‘'ги<11'[> спектра <eehi мдиеот нее форме и in.'inMiiioTCM масштабом II) (М И iiМЕЕ. ИЕГУД. В табл. 2.1 приведены графики ряда импульсов и их амплитудных спек- тров в области положительных частот, из которых очевидно, что почти все реально применяемые и теории связи импульсы ограниченной длительнос- ти теоретически имеют бесконечны ii амплитудный спектр. Уже упоминае- мый принцип неопределенности Гейзенберга применительно к одномер- ным сигналам можно трактовать так: чем сильнее Сигнал a(t) локализован во времени (т.е. чем компактнее «колокол*, накрывающий его), тем шире с о г нс к: .) 5('ч ) < pa ;.\i;:.i,i н нрогграиЕ i нс ч:.сю1 го. Il iiaiMipni чем мечи,- ше ширина спектра 5(й>), тем больший интервал времени занимает анали- зируемый сигнал и(г). В общем случае в рамках теории сигналов принцип Таблица 2-1 149
неопределенности Гейзенберга означает, чти невозможно од поврем с него < заданной степенью точности зафиксировать частоту сигнала и время его возникновения, И тог и другой параметры фиксируются с некоторой ошиб- кой, т.е. истинное значение параметров сигнала находится внутри некото- рого «окна*. Если считать это окно прямоугольным, то его площадь будет равна произведению частоты и времени, и она величина постоянная. По- этому улучшение разрешения по частоте сопровождается ухудшением раз- решения по времени, и наоборот. У о гноецтел ьеео гладких функций СнеКтр быстр > убываю (г ростом номера коэффициенты стремятся к нулю). У «изрезанных* функций спектр убы- вает медленно, поскольку для представления разрывов и изломов функции нужны гармоники с большими частотами. Шириной спектра считают эффек- тивную область частот F, в пределах которой сконцентрировано 90 95% энергии сигнала. Для колокол иного и экспоненциального импульсов, име- ющих теоретически бесконечную длительность, для удобства расчетов также вводят понятие лффектиннои сигнала Т г подразумевая под этим интервал времени, к пределах которого сосредоточена основная доля его энергии. Основные свойства преобразований Фурье. На практике важна связь между рядом преобразований сигнала и соответствующими этим преобра- зованиям изменениями его спектральной плотности. 1. Сложение, усиление и ослабление сигналов (теорема линейности). Клиненным операциям относят сложение, вычитание, усиление и ослабле- ние сигналов, поэтому к ним применимо свойство линейности. Если имеет- ся совокупность детерминированных сигналов ut(t), “ХО......... обладающих спектральными плотностями Л’^йо), У,(ю), ..., 5.(си), .... то суммарному (разностному) значению сигналов Ц.(0 = ",<0 + и2(0 + + 4(0 + + МО соответствует сумма (разность) их спектральных плотностей 5г(со) = 5j(<») + 53(ю) - ... + 5;(о)} - ... + 5\.(<i>). Данная теорема имеет элементарное доказательство: достаточно в пря- мое преобразование Фурье (2.29) подставить сумму исходных сигналов. В общим виде теорему линейности записывают следующим образом: г-0 г-0 где а,— произвольный числовые коэффициенты; i = О, 1, 2. Сдвиг сигнала но нремЕ’нн (теорема запаздывания). Пусть сигнал N|(Jt) го :'। П.-К 11 :;=. 11.1 и :! I нло ноетыо .S'.(ii) ш.и p,-.;:.i1 ,:ii некоторое :;:к’мн < . Нагом c.iv’iae ед/ ! ), и < i:ri. I |i;i. ii::.;:i: ii.joi ukti, задержанного гиги;., i.-i н соответствии г прямым прообразованном Фурье (2.29) имеет вид 5^(<й) - j u^e'^dt - J ut(t- it)e ’^dt. -CO -I» Введя новую переменную интгтрнронання г = i - f получим йй 5/м) = J И](т)е J,i,e = ^((ф 150
l-Тгак, сдвиг нгходшно сигнала во примени на некоторый 111 гидячл f. приводит к тому, что спектр задержанного сигнала оказывается равен спе- ктральной плотности $|(ю}г умноженной на комплексную экспоненту Амплитудный же спектр сигнала нс меняется (ведь модуль такой ком- плексной экспоненты равен единице). При этом фазовый спектр приобре- тает дополнительное слагаемое -ю£{„ линейно зависящее от частоты, На практике сдвиг исходного сигнала во времени осуществляют при аудио- и видеозаписи. Теорема запаздывания показывает, что сколько бы долго ни хранилась такая запись, спектр (и форма) сигнала iie претерпит изменений. 3. Смещение спектра сигнала (теорема смещения). Если ^(со) — спект- ральная плотность сигнала ir/f), то спектральная плотность 5>(о) + Q), полу- ченная путем сдвига исходного спектра по оси частотна величину Q, соот- ветствует сш налу и2(0 - и,(0₽ ,Пг- Действигельно, согласно формуле (2.29) .<(ш> - J u,(t)e i°*dt - I Mt(r)e '(w *nvfir - 5,((» + fl). (2.34) — W —ОЙ Эго iipronpanonaniif! спектра импульсного сигнала применяют н систе- мах гняип либо при переносе спектра сигнала на одной полосы частот в Дру- 1уЮ, либо при модуляции. Формула (2.34) покапывает, ч то н результате та- ких преобразований спектр сигнала смещается на величину Q. равную частоте сдвига. 4. Изменение масштаба времени. Пусть в исходном сигнале «,(;> изме- нен масштаб времени так, что аргумент £ умножен на постоянный коэффи- циент 6 и a2(t) = ut(bt). Если b > 1, то происходит «сжатие» исходного сиг- нала; если же 0 < & < 1. то исходный сигнал «растягивается» во времени. Докажем вето. Спектральная плеч пос гь намспспного во времени сигнала 5,(а) = [«//)(*'""(Й = j -ОС. -оо Введя новую переменную т = bt, получим I “ $,(<») = - J W|(f> " -сю откуда Увеличение длительности импульсного сигнала любой формы в b раз со- провождается сжатием ширины его спектра во столько же раз, и наоборот, уменьшение длительности сигнала приводит к расширению его спектра. 5. Спектр произведения сигналов (теорема о свертке спектров). Прежде чем определить данный спектр. введем важное .тля теории сигналов поня- тие свертки двух функций. Рассмотрим скалярное произведение двух функ- ций /(f) и A(f): □с u(t) - f /(W - - /(г) • й(г). (2.35) -SO 151
. JI : । tool i?i ic- ;ir ii'ii-iri ф-. 11 да Me 1.1 iui<ii ;• ;i,;riiiii' n i: n|i;in । i:i hi I I: - тетрад (2,35) в математике и теории цепей называют сверткой (англ, сопуо- lution) двух функций или сигналов (где • — знак операции свертки функ- ций). Пусть сигналы f(t) и A(t) имеют спектральные плотности F(gj) и //(со) соответственно. Тогда их произведенне u(i) = будет характеризо- вать спектральная плотность -Л.- W -У-.- J W1 5(и)= J H(t)?''iA = \ f(t)h(.t)c^M = J /г(/)г>м- J Лт)^\/т^ = -30 -ОС -ОО -ОС- .00/00 Ч . ОО = т- f F(t) [ й(г)е’Л“ ThWzU= J [ F(r)H(®- т)Л = -DO 1-00 -ОО = ; F(<b) * 11(м). (2,36) При выводе формулы (2.36) сигнал /(t) выражен через его спектральную плотность F(oo) с заменой переменной со на т. Согласно форму.те (2.36) спектральная плотность произведения двух сигналов есть свертка их спектральных плотностей (умноженная на 1/(2я)), т.е. свертка, осуществленная ужй в частотной области. Данное соотношение имеет чрезвычайно важное значение в теории связи. Оно связывает спект- ральный и временной подходы к анализу импульсных сигналов и служит для целей исследования прохождения подобных сигналов через линейные и . 1 инейно-параметрические цепи. ] Тетрудно убедиться, что операция свертки коммутативна, т.е. допускает ! .i-:1 iinir пори. ,i;.i ; :r i<i:i;iiiii:.i :।:-i ::i'-|i:i.:y i-мыx функции: 1 1 5(w) = F(o>) *H(to) = //(<»)* F(o). 2л 2л Теорема Рэлея и равенство Парсеваля. Приняв в фломуле (2^36) значе- ние частоты ел = 0, приходим к выводу известной в математике Теоремы (обобщённой формулы) Рэлея1 для Сигналов ~ j Г(т)//(-т)^г = J F(fx>)//(-w)rf{t> = 2п к А<»)Я’(<в>*о. (2.37) Здесь учтено соотношение (2.32), согласно которому //(—со) = //‘(со). Легко запоминающаяся трактовка формулы (2.37) такова: скалярное про- изведение двух непрерывных сигналов с точностью до коэффициента 1/(2я) пропорционально скалярному произведению их спектральных плотностей. Формула Рэлея относится к классу обобщенных функций и обладает важ- ным положением, касающимся спектральных свойств ряда неинтегрируе- мых Cui налов. 1 Джон Рэлей G. Rayleigh, 1842- 1919) - британский физик и механик. 152
1 !ри/(Г) = fi(t) = u(/) из тооремы Рэлея Е<ь[.течает/)(7«(;нс1?7(?» /Уорсфолд1 — J 5(to)5’((o)^w - — f 5(га)|а-Ь " " f l>)|2^ (2.38) -io 2it -io 2* _« л Jo fi. УЛ1 ннжснщ’ Сигнала на гармоничеСКуЮфункцию. Умножил, исходе! Eiiii непрерывный сигнал и(0, спектральная плотность У(и) которого известна, на гармоническую функцию единичной амплитуды (для упрощения примем начальную фазу гармонического сигнала равной нулю):/(г) - u(r)cos ш|;1Л Посмотрим, что произошло со спектром при таком преобразовании: Л» = J w(/)cns(D/e’^W/= J Х0---------------—= - 1X1 -1X1 2 <7 1 °° । 1 - - J utfX**' *•*& + - f u(i)e J(u’ш"’^с - -S(cd ц,) । /5(щ । <u0). (2.39) 2 —&> Л _ ЛС1 2 r 2 Итак, спектр исходного сигнала при его умножении на гармоническую функцию «раздвоился* — распался на два слагаемых вдвое: ме^ьпнчо урон- ил, чем исходный (1/2 перед каждым из слагаемых), смещенных на частоту сигнала ±<й(| соответственно влево (га е\,) и вправо (га + га(|) но оси частот. Несложно показать, что если в гармоническом сигнале имеется начальная фаза ф,„ го при первом слашемом и формуле (2,39) будет множитель а при втором — еJ%. 2.2,3. Спектры некоторых нем итерируемых сигналов При введении понятия преобразования Фурье были указаны возможно- сти его применимости: emieehi.iпсинс условии Дирихле и абсолютная интег- рируемость (сходимость) сигнала (2,31). Ряд широко применяемых в тео- рии связи сигналов нс удовлетворяют этим условиям, поэтому их прямое преобразование Фурье осуществить невозможно. Вместе с тем, используя свойства обобщенных функций, можно jipirxieiiirn.. нрробразоЕьтис Фурье и к таким сигналам, получив при атом вполне осмысленный и практически полезный результат. В математике известны и широко используются три специфические функ- ции: дельта-функция, гармонический сигнал и функция единичного скачка, f 1екоторые свойства втих функций позволяют устранить отмеченное пропят ствие. Правда, при этом оказывается, что соответствующие спектральные плотности будут уже не оГиачиымн, классическими,;! обоби^-шньти функ- циями. Дельта-функция и ее спектр. Рассмо! рим теоретическую модель беско- нечно короткого импульса с бесконечно болы пой амплитудой (ее изобра- жают жирной етрглкон. рис, 2.19, п). аналитически определяемого как ад *{м *’<>“ (2Л°) 1 Марк-Антуан I Fii|M'i‘i5n.ii3 (Маге-Лп1 i>inr P^r.scval <Li*s Chthii's. 17.1.1 1836) фринг|уBt'Kiiii математик. 153
Рис. 2.19, Дельта-функция: t? — графические предс гактсиае; 6 - дельта-функция в вида прямоугольной» импульса; в - спектрал ы шя i ин иг ость Площадь такого импульса всегда раина единице: Js(f)df=l. (2.41) —ОО Функции) 6(f) налы паи кг единичным алпи/.чъсом, функ- цией Дирака (delta-function, Dituc function] предложена И Дираком1). Так как интеграл от дельта-функции (2.41) дает безразмерную единицу, размерность дельта-функции обратна размерное! к аргумента. Например, дельта-функция времени имеет размерность 1/с, т.е, размерность цикличе- ском частоты — герц (Гц). При сдвиге дельта-функции по оси времени на некоторый интервал г0 (см, рис. 2.19. ф) определения (2,40) и (2.41) можно записать в более обшей форме: ОО |й(Г-ГиИт=1. (2.43) Разумеется, сигнал в виде дельта-функции невозможно реал изо ват ь фи- зически. Однако теоретически дельта-функцию можно рассматривать как предел, к которому стремится прямоугольный импульс длительностью гн ц амплитудой 1/т„ при т;| —* 0 (рис. 2.19, б). Дельта-функция обладает важнейшим свойством, благодаря которому опа получила широкое применение в математике, теории связи и т.д. Пусть имеется непрерывная функция (аналоговый сигнал) времени/(f). Тогда со- гласно формулам (2.42) и (2.43) справедливо следующее соотношение: ОО сю if/(W-/>/f=/(Q J -fil)rfr = /(fC1). (2.44) -СЮ -сю Соотношение (2.44) ггановнтгя попятным, сели учесть, что но пире,теле- пню функция S(f - ffl) будет равна нулю на всей оси времени, кроме точки t - tt). Это позволяет сделать интервал интегрирования бесконечно малым, включающим в себя точку £„. В этом интервале функция /(f) принимает единственное постоянное значение/(Q в точке f = f0, которое можно выне- 1 Поль Дн]тик (Р. Di гаг, 190.2 1984) английский фиипк-п^]» гик, один из создателей квантовой меха 11 ики. 154
ГТ ГЕ :irl 311 rlК ИЕ[Г(!Г"|ИиЦ1, Со[>Т1[<НГ1(!1[|1Е' (2.44) характеризует фильтрующее (выделяющее, или стробирующее, от слова *строб* — короткий прямее угольный импульс, применяемый н радиолокации для выделения сегмен- тов колебаний) свойство дельта-функции, Спектральную плотность дельта-функции S(£ Q найдем с помощью формулы (2.29): 5(<в) - J а(£ Qe^dt. ло Используя фильтрующее свойство дельта-функции (2.44), получим 5'(и) = е J o(t - t„)dt = в (2.45) - OQ Из формулы (2.45) следует, что нри^ = 0 спектральная плотность дель- та-функции 5(о>) - 1. Итак, теоретически дельта-функция имеет равномерный (сплошной и бес- конечный) спектр с единичной амплитудой на всех частотах (рис. 2.19, в). В момент возникновения дельта-функции (при I ~ fl) все элементарные га ।> м< m 11 ч ес кне t < к та вл яюп ще ее сп екгра н беск< и >еч е гой юлосе ч астот скла- дываются когерентно (синфазно), поскольку в соответствии с формулой (2.45) спектральная плотность дельта-функции веществен на. Поэтому в момент времени f = 0 наблюдают бесконечно большую амплитуду им- пульса дел ьта-фу i пеции. Следует обязательно иметь в виду, что правая часть равенства (2.45) яв- ляется размерной единицей — это единичная площадь импульса. Если дельта-функция представляет собой импульс напряжения, то размерность спектральной плотности 5(еу) — вольт секунда (В-с). Дел г.та-функцию можно представить в виде обратного преобрази валим Фурье (2.30) от се спектральной плотности З'/и) = Sfco) = 1: ею = - f 1-Лсо= Г е^&а. 2к In Учитывая условие дуальности частоты <ь и времени /. последнее выра- жение можно записать следующим образом: ®(w) = - f e^dt = - (г >№,ф. (2.46) 2п 2л 11 ере мена знака в показателе стене и и экспоненты в этом случае не влияет на значение интеграла (вследствие взаимозаменяемости частоты и времени). Гармонический сигнал и его спектр. Найдем спектральную плотное гь гармонического (косинусоидального) сигнала единичной амплитуды и(г) - - cos о,,г. Подставив в прямое преобразование Фурье (2.29) заданный сигнал и поено. ндов; । । пись у л, г ’. । и 111 hi hi. ц-i: с л i:?ii|im\ . luii '.У,'-., к;.), । (2.1 <). h,im: ш v. SW - j cose^te ^dr - 0,5 f e ^’dt i 0,5 J e -;xs -ее- -<» 155
1 T;i ОСнощтии формулы (2.^6) последнее < t)o ri ichiuti и к: можно записать как 5(о») = л |Б(со - Иц) + 3(ш - со,))]. (2.47) Итак, гармоническому сигналу с единичной амплитудой и частотой <с|; ГО1]ТН(!Т<!]НУ1?Г дискретный СИСКГ р, СОСТОЯЩИЙ ни двух линий бесконечно oo. iLiuoii амплитуды в виде дельта-функций (с множителями п), располо- женных с'и.мме! pi hi но iiji юс игел iiEto нуля на частотах — tt>0 и toQ (рис. 2.20). лб (|)ц 0 Рис. 2.20. Спектр гармонического сигнала По аналогии со спектральной плотностью косинусоидального сигнала можно показать, что синусоидальному сигналу w(£) = зтц/ отвечает очень похожая спектральная плотность 55(g)) = jc(6(co - ®0) - 6(и - о)„) ]. (2,48> Знак «мину» в формуле (2.48) для спектральной плотности появляется вследствие нече! пости функции синусоидальною сигнала относительно оси ординат. Экспоненциальный импульс и его спектр. Экспоненциальный импульс принято относить к сигналам с «полубесконечной* длительностью (рис. 2.21). Рис. 2.2 1. Экспоненциальный импульс: а Г|ш|л1ЧГ[КС)С 111 М2ДГТа.В.'1С!Н 11L!; О (*ШЖТ| 9CL11>Е1Э Н IL1C3TIIDLTIS; ff ф&ЮНЫЕ**! CIlIIKip При единичной амплитуде экспоненциальною импульса (рис. 2.21. л) имеем <2<9> где а>0 — вещественный параметр. Прямым вычислением по формулам (2.29) и (2.49) находим 7 7 1 5(w) = J J в -----с . ft? - :.С II + JO) ц 156
Ппдсциюнка пределов интегрирования н<|юрмулу (2.49) д:н'г (рис. 2.21.6) 5(и) - ц + jta Можно показать, что фазовый спектр рассмотренного экспоненциально- го импульса (рис. 2.21, в) описывается выражением ф(ш) - -arct^w/a). Единичная функция и ее спектр. Рассмотрим еще один элементарный 1.И1-.pn'jccKiiii г.;.. । (риг. 2.22), nt ii(i.nl;ror.Mi>iii 1.1:. ;i i ili. и: hi ,i. i<-i pii'.rc- кихцепей и описываемый обобщенной функцией. Упрощенное выражение единичной функции (рис. 2.22, а) принято записывать следующим образом; «Ни»* (2-50) Рис. 2.22. Единичная функция: а — гр®фич<хк<К представление; б — t: 11гкт]цигы гая плеишить Санкцию с(£) называют единичной функцией, функцией включения иди функцией Хевисайда. Единичную функцию используют при создании моделей сигналов конечной длительности. Пример - формирование прямоугольно- го импульса Сравнив формулы (2.49) и (2.50), замечаем, что функцию включения ПО.1 учяют путем предельного перехода из ЭКСпОненциальнОгО импульса при а —- 0: 0(0 = 0,£<0, lim в *, С > 0. а —г да Спектральную плотность функции включения определим, выполнив пре- дельный переход в спектральной плотности экспоненциального импульса: 1- 1 Г « Г “ O(w) = lim----= Iim —=-г-J lim —т--- °- 11 K+ ДВ «’“ft +Щ '^"и+й" При а - 0 первое слагаемое в праной части этой формулы равно нулю на всех частотах, кроме си = 0, где оно обращается в бесконечность. Площидь же под кривой функции а/(сс + е>!) равна постоянной величине; -д - | а! +йг -I 1 2 2 а + со = л независимо от значения а. При а * 0 предел первого слагаемого есть функция пй(<и), второго - t/Q'w). ЗнЛчпг, riicKтральная плотней'iei единичной функции (рис. 2.22,6) раЕпы 5(<в) - 9еЗ(ы) -J/й. 157
ПпСгплнный сигнал и его спектр. Простейшим пени титрируемым Снг- [ji. iom ян. песня : oetoi иное iiTiipM.-.riiur (рис. 2.2^j ( иск i pa. ibiivio плот- ность постоянного i idiipa/Kt'Ei ия единичной амплитуды (рис. 2.23, р) МОЖНО легко определить, приравняв к hv.'iio н <[к»рмуле (2.47) для СпеКГральЕЕОЙ плотности косинусоидального снгаала частоту <вв. В результате получим 5(<о) = 2тгЙ(<и) = 2лй(0). (2-51) О п Put'. 2.2'3. Постоянный сигнал: а графическое цредстав.чеии^; -спектральная плотность Физический смысл формулы (2.51) прост — постоянный во времени сиг- нал имеет единственную спектральную составляющую (в виде дельта-функ- ции с коэффициентом 2я), расположенную на нулевой частоте (рис, 2.23, Л). Особенности преобразований Фуры?. Ото преобразование ii['H]]I!me,e[ii- МО К ряду СЛОЖНЫХ СИГНЭ.1СШ, голержшцих множество KOIH’HHEsIX скачков па ограниченном интервале времени. Однако ряд Фурье всегда сходится, если сигнал представляет результат реального измерения. Если исходная функ- ция задает значение для каждого действительного числа, ее можно разло- жить на гармоники всех возможных частот; эти функции объединяют по- средством записи и вычисления интеграла Фурье. Независимо от способа реализации преобразования Фурье для каждой составляющей необходимо указать два пара мет ра: это могут быть амплитуда и частота, однако эту роль могут играть и другие пары параметров. Их значения можно выразить в ви- де одного комплексного числа. В последние годы использование преобразования Фурье часто сводится к поиску эффекта в ешх способов перехода от сигналов к их спектру л обратно. 2.2.4. Преобразования Хартли в спектральном анализе сигналов Один из недостатков представления сигналов с помощью преобразова- ния Фурье использование н нем комплексных чисел. Обработку же ряда сигналов л виде последовательности вещественных данных желательно осуществлять в области действительных чисел. Этим свойством обладает преобразование Хартли. Р, Хартли еще в 1942 г. предложил пару интегральных преобразований сигналов — прямое и обратное, основанные на специально введенной им функции cast = sint -i- cost. Для сигнала u(f) прямое и обратное преобразован ня Хар тли имеют вид Я(й) - j u(t)casffltr*; (2.52) -IE) 158
1 «(f) = — f W(h)c<is<b(</w. (2.53) 2тг Представляя сигнал как сумму четной и нечетной составляющих, запи- шем прямое преобразование Хартли и виде Я(е>) = 2?ч(ю) + Як(а). Если исследуемый сигнал — четная функция то из соотношения (2,52) находим ОО о Для сигнала н виде нечетноГг функции ии(Г) из соотношения (2.52) име- ем следующую форму преобразования Хартли: CSC Ц,(<в) = 2 ju,r(i)s’n notdt, о Сравнение преобразований Хартли Н(е>) и Фурье 5({о) позволяет уста- новить взаимосвязь между ними. После сопоставлений формул (2.29) и (2.52) получим ВД = (5(«) + У(-и))/2 - ;(5{ф) - 5(-о))/2 = = Ri:(5(<t!)) - 1т(5(®)); (2.54) ад - (Н(и) + Щ о))/2 +)№>) Л( и))/2 = = Д,(®) -)Я„(©). (2.55) Преобразование Хартли определяют как разность вещественной и мни- мой составляющих преобразования Фурье; преобразованис Фурье равно разности четной п нечетной составляющих преобразований Хартли, умно- женных на/ Из формулы (2.55) следует, что для сигнала, описываемого четной функцией, Я(©) - 5(<и), а для сигнала, описываемого нечетной функцией, М(сл) = -/У(о). 2 3. Корреляционный анализ детерминированных сигналов В теории связи корреляционная теория используется при исследовании случайных процессов, позволяя установить связь между корреляционными н спектральными свойствами случайных сигналов. Часто возникает задача обнаружения одного передаваемого сигнала н другом или в помехах. Для надежного обнаружения сигналов и применяется метод корреляции, основанный на корреляционной теории. На практике оказывается полез- ным анализ характеристики, дающей представление о скорости изменения во времени, а также длительности сигнала без разложения его на гармони- че<: к 11 е составл и toi цне. Пусть копия сигнала u(t - т) смещена относительно своего оригинала и(0 па интервал времени т. Для количественной оценки степени отличия (связи) сигнала ь(г) и его смещенной копии u(t - т) используют автокор- 159
реляционную функцию (АКФ). АКФ iкжазынасг c'it‘]i[.’iir> сходства МСЖДУ сигналом И ЁгО Сдвинутой копией — чем больше значение Л КФ, тем это сходство г'п. п-нее. Для дг.' гг]]М11пирс>н;111Н()Г() сигнала КОНЕЧНОЙ дли тел ыгостн (финитного г 11 Г! 1.1, i.i 1 :ш;.. hi 11 ч: ci,;: i: . 1:1111 ic , Л КФ представ. I hi i cin'joii uir ii pa. i :i-д. i oa fl(O - J u(t>(i - <2.56) —00 Формула (2.556) показывает, что при отгу тггвнн ед и ига копии относи- тельно Сигнала (г = 0) Л КФ HfjL'iOiKirmji LHri, .макгилнивпа н рак на энергии сигнала; оо ад - J u\r)dr - э. -<к> Такая энергия [Дж] выделяется на резисторе с сопротивлением в 1 Ом, если к его выводам подключить некоторое напряжение и(Г) | В|. Одним из важнейших свойств ЛКФ является ее четность; В(т) - В(-г). Денг । вителвно, если в выражении (2.56) произвести замену переменной Л “ t т, то J i)dt- j и(х + т)ы(х)сй; -ОС _<х* Поэтому интеграл (2.56) можно представить в другом виде: ею ад - J a(t)w(t + t )dt. Ой Для периодического сигнала с периодом 7", энергия которою бесконечно велика (поскольку сигнал существует бесконечное время), вычисление АКФ по формуле (2.56) неприемлемо. В этом случае определяют ЛКФ за период; н Г/2 #,.(т>" - J ^)dt.. (2.57) 1 Т/2 Пример 2.3 Определим АКФ прямоугольного импульса, который имеет амплитуду Е и длительность ти (рис, 2.24), Решение /1 ля импульса вычисления Л КФ удобно провести графически. Такое постро- ение показано на рис. 2.24, а — г, где приведены соответственно исходный им- пульс ы(Г) = и. Сдвинутая на т егй копия wT(f) = it(i — т) = и. и их пропзведечнге w(f)w(r- т) -иие Рассмотрим графическое вычисление интеграла (2.56). Проиэвс- денне «(f)u(r- г) нс равно нулю на интервале времени, когда имеется наложение друг на друга любых частей сигнала и его ионии. Как следует из рис. 2.24. этот интервал равен t - til, если временной сдвиг копии меньше длительности импуль- са- И подобных случаях для нмиу,.н.га АКФ определится как 3(т) - т|) при временном сдвиге конин на текущее время |т < т„. ЛКФ прямоугольного импульса имеет вил равнобедренного треугольника с основанием в два раза болi.iиеллителыгости импульса и высотой,определяемой энергией сигнала В(0) - = = Э (см. рис. 2.24, г). 160
Рис. 2.24. Определение АКФ импульса: л — импульс; б — копия; в - произведение сигнала и копил; t — АКФ Чигш вводят удобный для анализа и сравнения сигналов число ней иа- | :;’Л 11 I 1) '/J/s//.'; .', . ;ili;i. Ill 11 I ;i’K 11 II ipji|jllll CM I l);i 11111:111 I III- рние основания АКФ. Для данного н|шм[']К1 jiii корреляции тк = 2ти. Пример 2-Д Определим АКФ гармонического (косинусоидального) сигнала м(Г) = - L/lucos(<of + ф,,) с ненулевой начальной фазой (рис. 2.25, а). Рис. 2.25. Диаграммы к примеру 2.4: а — гармпничЕский сигнал; б — АКФ прмошгческого сигнала Решение Используя формулу (2.57) и обозначив 2?л.(т) = Д(г), находим В(т) -— J coa((Ui + <plf) cuti( + ср,, + tin)dt ~ 0.jL;'costur. Т Т/2 Из этой формулы следует, что АКФ гармонического сигнала тажеямястся гар- монической функцией (рис. 2.25,6) и имеет размерность мощности (В2). Отметим еще один очень важный факт, что вычисленная АКФ не зависит от начальной фа- зы гармонического сигнала (параметру в полученном выражении отсутствует). 161
Из проведенного анализа следует важный нынод; А КФ практически лю- бого сигнала не зависит от его фазового спектра, Следовательно, сигналы, амплитудные спектры которых полностью совпадают, а фазовые различа- ются! будут иметь одинаковую А КФ. Еще одно аимечиниг заключается ii том, что по АКФ нельзя восстановить исходный сигнал (опять же вслед- ствие yi раты информации о фазе). Связь между АКФ и энергетическим спектром сигнала. Пусть им- пульсный сигнал и(£) имеет спектральную плотность 5(ю). Определим А КФ по формуле (2.56), записав u(t) в виде обратного преобразования Фу- рье (2.30): Й(т) = ( u(t)u(t - t)dt = | I — f |w(! - т)гЛ. □о -™12л io J Введя новую переменную .г = t - т, из последней формулы получим . ФО ос- В(т) = ( 5г(га)е'йк Г u(x)eJ“ldxd<>). (2.58) 2т Здесь интеграл ТО f иСх)е'шЛдх - 5‘(о) _ ТО (2.59) есть функция, комплексно-сопряженная спектральной плотности сигнала 5(a). С учетом соотношения (2.59) формула (2.58) примет вид ад = I 2л 5(<д>5 Функцию и;(«)=5(и)5’<о) =|5(и)р (2.60) называют энергетическим спектром {снектргтьцои плотностью энергии) сигнала, показывающим распределение энергии но частоте. Размытость энер- гстшп-екого спектра сигнала соответствует величине ГР^ш) — [(В2с)/Гц]. Учитывая Соотношение (2.60), Окончательно получим выражение для АКФ: 1 t 5(т) = — J Н'11(ю)е;й,т<Ао. Z7t QQ (2.61) Итак. АКФ сигнала представляет собой обратное преобразование Фу- рье от его энергетического спектра. Прямое преобразование Фурье от АКФ то ^,(ш) = J й(г)е"",/т. -то (2.62) I (так, прямое преобразование Фурье (2.62) АКФ определяет энергетиче- ский спектр, а обратное преобразование Фурье энергетического спектра (2.61) — АКФ детерминированного сигналгс Эти результаты важны но двум 162
причинам, Во-первых, исходя из распределения энергии но спектру стано- НИТГЯ Е5ПЗМОЖНМХ1 ОЦЕНИТЬ KI I]) pt'.IЯ ЦИГШ H ЫС fliOHf THil С 11 II Ki.HIH — 4t'M 1Ш1[)С энергетический спектр сигнала, тем меньше интервал корреляции. Соот- ветственно, чем больше интервал корреляции сигнала, тем короче его энер- гетический спектр. Во-вторых, соотношения (2,61) и (2.62) позволяют экс- периментально определить одну из функций по значению другой, Часто удобнее вначале получить АКФ, а затем с помощью прямого преобразова- ния Фурье вычислить энергетический спектр. Этот прием широко приме- няют при анализе свойств сигналов в реальном масштабе времени, т.е. без временной задержки при его обработке. Ваанмокоррелящюннвя функция двух сигналов. Если надо оцепить степень связи между сигналами w^t) и м2(0> ™ используют взаимокорреая- ционную функцию (ВКФ) ОО 5ц(т) = | - т)<й. -DO 11рп т = О ВКФ равна так называемой взаимной энергии двух сигналов ос Эп-В14(0)- J i/t(r)b2(0^- — ОС? Значение ВКФ иг меняется, если вместо задержки второго сигнала u/t) рассматривать опережение его первым сигналом Ujft), поэтому Л1У<т) = J r)fft = j !*,(/>,(£ +т)<Л. —‘SO -CH АКФ является частным случаем ВКФ, если сигналы одинаковы, т.е. Wj(O = «j(0 = u(i'). В отличие от АКФ ВКФ двух сигналов Я]г(т) не являет- ся четной и необязательно максимальна при т - О, т.е. при отсутствии вре- менного сдвига сигналов. 2 4. Методы аналоговой модуляции сигналов Напомним, что под модуляцией понимают физический процесс, при ко- тором один или несколько параметров несущего колебания изменяют г го закону передаваемого сообщения. В аналоговых системах связи при моду- ляции могут изменяться амплитуда, частота или фаза несущего колебания. В зависимости оттого, какой из названных параметров несущего колебания подвергается изменению, различают два основных вида аналоговой моду- ляции: амплитудную и угловую. I Еоследпий вид модуляции, в свою очередь, разделяется г га частотную и фазовую. В современных цифровых системах передачи информации широкое распространение получила квадратурная (амплитудно-фазовая АФМ; amplitude phase modulation, или фазоампли- тудная ФАМ) модуляция, при которой одновременно изменяются и амп- литуда, и фаза сигнала Этот тип модуляции относят как к аналоговым, гак и цифровым видам. В настоящее время все большая часть информации, передаваемой г го разнообразным каналам связи, существует в цифровом виде. Это означает, что передаче подлежит не аналоговый модулирующий сигнал, а импульс- 163
ныс 1и;ки1ед[м^гн;-гы1С)4 rti и iioc'.i едены тг.тынн г i> mirr/i, которые могу г при- пинать значения из фиксированного множества Поэтому в подобных сис- темах связи применяются различные виды импульсной и цифровой модуля- ции, при которой радиосигналы представляются в виде ihk называемых радионмульсов. 2.4.1, Сигналы с аналоговой модуляцией Долгие годы, ио существу начиная с изобретения радио, при передаче* информации использовались и до сих пор широко используются аналого- вые виды модуляции. Это связано в основном с простотой схемотехничес- кого решения таких видов передачи сигналов. Очевидно, что аналоговые системы еще какое-то время будут существовать наряду с цифровыми сис- темами связи. При анализе модулированных колебаний и их спектров удобно исполь- зовать ряд основных формул тригонометрии: соз(а - Р) ~ cos о cos р + sin о sin 0; cos(u + 0) - cosacosp - sin о sin р; sin(a - 0) = smacos0 - cosasinP; sinfa + 0) = sinacoep + cosasin 0; cos и cos p = 0,5|eos(o + p) + cos{cc - p) |; sinusinp - 0.51cos(u p) cos(a+p)]. Сигналы с амплитудной модуляцией. Напомним, что в процессе ампли- тудной модуляции несущего колебания и„<0 = 6r„cos(M,/ + (р„) = (/„cos ip<t) <2.63) его амплитуда должна изменяться пи закину (4(0 - ГУ,, I k^t), (2.64) где 1/ — амплитуда несущей частоты в отсутствие модуляции: м0 - угловая частота; - начальная фаза; - wet + <pe — полная (мгновенная) фаза несущей; — безразмерный коэффициент пропорциональности; с(() — мо- дул ирующий с ип 1ал. Функцию CiO в теории связи принято называть огибающей амплитуд но-модул ированного сигнала (ЛМ-си гнала). 11одетан11и соотношение (2,64) и формулу (2.63), получим общую фор- мулу AM-си тала иАМ(0 = + Фо) = (б',, + А Д Г))еоч(<пн/ + <р0). (2.65) Однотональная амплитудная модуляция. Обратимся к простейшей амплитудной одштюнйльной (от Слова <stOhs> — звук одной частоты), или гармони ческой, модуляции, когда модулирующий сигнал — гармоническое колебание ₽(0 = Eocus(fiz + Цо), (2.66) где £0 — амплитуда; Q = 2п/7'] = 2тг£ — угловая частота модуляции;F — цик- лическая частота модуляции; 7', - период модуляции; - начальная фаза. Процесс амплитудной модуляции осуществляется путем перемножения двух сигналов, поэтому, подчиняясь принципу суперпозиции, является ли- 164
ней ной операцией. Подгтанин <:<>orinmieiiHe (2,66) и у (2.6-5), полу- чим выражение для AM-сигнала «ам(О = И4 + Mi£os(£ 1/ + %)]cos(fi^£ <рв)т (2.67) Обозначив через A17 - максимальное отклонение амилитуды AM-си г- n;i.i;i от амплитуды несущей (,г и проведя НРГЛОЖН11Н.' выкладки, получим “лм<0 = Ц,11 + Afcos(ra + e(l)J<os(o>nZ + ф0>, (2.68) Где Л/ = АдБл/t/,, = ЛС’/Г?,,— коэффициент, или глубина, амплитудной мш)у- ляции. Отмстим, что однотональная модуляция симметрична относительно оси времени. Спектр AM-сигнала. Использовав тригонометрическую формулу произ- ведения косинусов, в выражении (2.68) после несложных выкладок полу- чим «ам(0 = Ц:си5(®^ + ф:|) + (/„AfcoeflM + е„) |cos((0fl£ - q>„) = Mt; - [/„совОД + ip() + —— <ов[(<в0 + Й)£ + (pu + 0„J + I -^-cos[(<B0 £l)£-t Ф,, - 0,,]. (2.69) Из формулы (2.69) очевидно, что при ОДНОТОНйЛЬНОЙ амплитудной мо- дуляции спектр AM-сигнала состоит из трех высокочастотных составляю- щих. Первая из них представляет собой исходное несущее колебание с по- стоянной амплитудой UK и частотой ш(|. Вторая и третья составляющие x:ip:n. li'iJUHyior понЕ.н гарм<|] нчегкие колебания. появляющиеся в 11pi -ihti r амплитудной модуляции и отражающие передаваемый сигнал. Колебания с частотами । Й и tolf - Й называются соответственно верх- wii (upper sideband — USB) и нижней (tower sideband — LSB) боковыми со- етавлюощими, Амплитуды боковых составляющих AM -сигнала Одинаковы, равны MUJ2 н расположены симметрично относительно несущей частоты сигнала Реальная ширила спектра А М-с и гнал а при однотональной хюдуляции Ди,. - Дс«лМ “ 2Й - 4ilF. Принцип однотопалыюй амплитудной модуляции показан па рис. 2.26. Графики модулирующего сигнала f(t) с 0и - 90’, несущего колебания w,(r) С <р(| = 90° и АМ-сигпала ИАМ(£) представлены на рис. 2.26, а - f, а на рис, 2.26, г — е — соответствующие им спектры 5„(oj), 5„(и) и 5АМ(®). В от- сутствие модуляции (JW = 0) амплитуды боковых составляющих равны пулю и спектр AM-сигнала переходит в спектр несущего колебания. При глуби- не модуляции А-( < I амплитуда AM-сигнала изменяется от минимального ^мии = ^10 _ J^) д0 максимального [7u.lbV = ('„(1 + Af) значения, Исключая постоянлую получаем , . MllhC ^иин л/--------------. и + и МИКС МММ 165
Рис. 2.26. Амплитудная модуляция: и — модулирующий сигнал; 6 — несущее колебание; о — АН-сигнал: / < < <нп нг| [:тиул>|ци<‘< иск1|>!|| Как । ранило, модулирующий сигнал (см. рис. 2.26. и) является двупо- лярным. Из графика на рис. 2.26, в можно заметить, что амплитудная оги- бающая, выделяемая при детектировании, в данном случае оказывается не- правильной опа соответствует модулю исходного сигнала. Поэтому при реализации амплитудной модуляции к модулирующему сигналу предвари- тельно добавляют постоянную составляющую £/„, чтобы сделать его одно полярным: - Un + kAe(t). Важное значение для AM-сигналов имеет коэффициент модуляции Af. Если при модуляции Л/ > 1, то возникают искажения, называемые перемо- дуляцией (рис. 2.27), Построим векторную диаграмму при однотональной модуляции несущего колебания. Для упрощения выкладок примем к соот- ношении (2.69) начальные фазы несущего колебания и модулирующего сигнала q>y - 0 и О,-, - 0. При необходимости они могут быть введены в окон- чательные соотношения. Тогда соотношение (2.69) отразится векторной диаграммой (рис. 2.28), на которой каждая из трех составляющих AM сиг нала представлена своим вектором. Pur. 2.27. Одиотоиальиый АМ-сигнал при вереыпдуляции Риг. 2.28. Векторная диаграмма одного налыюго АМ-сигнала 166
Ila пектп|иnui днпгрпм мс ги:ъ времени t вращается по ЧгН'сжои стрелке с угловой скоростью wl? I [оэтому несущее колебание изображается на этой оси вектором ОА длиной Ц,. Поскольку принято, что угол ф0 = 0, то ось вре- мени совпала с вектором несущего колебания. Верхняя (УВБ) и нижняя (t'ui;) боковые составляющие изображаются на диаграмме соответственно векторами АС и AD длиной MUn/2 каждый, Они сос гавляют с направлени- ем вектора несущей 0,1 углы * fit и вращаются в противоположных направ- лениях с угловой скоростью fl Равнодействующим вектором боковых со- ставляющих ЛС и ЛА) является вектор модуляции АВ. Так как векторы бокоиых составляющих |фц[циютгя it противоположных iirinpaik'ieHнях с одинаковой угловой скоростью и расположены симметрично относirir.iii- но вектора СИ, то суммарный вектор ОН в любой момент времени совпадает с направлением Ежктора несущею колебания ОА. Длина вектора ОН будет периодически изменяться от максимального 1/(1 + Л/) до минимальною 17,(1 М) значений. Если при прохождении через цепи нарушается равен- ство амплитуд боковых составляющих или симметрия их фаз по отноше- нию фазы несущею колебания, то возникает «качание* вектора модуляции относительно вектора несущей Ш. Это равносильно возникновению пара- зитной фаЗОВОЙ модуляции. Энергетические соотношения в АМ-сигнвле. В соответствии с изменени- ем амплитуды меняется и средняя за период несущей Т, = Urc/co,, мощность модулированною колебания. Пикам огибающей соответствует мощность в (1 + М)г раз больше мощности несущего колебания. При этом средняя мощ- ность за период модуляции пропорциональна среднему квадрату амплиту- ды и для ее определения необходимо применить предельный переход 1 772 г - 7 _/,t 1 Г72 W" "lim- J {/7ll|l + JWcos(Qr + 0j|cos(ffil^+tpll)}2^’^- + -!^—. (2.70) T-= ! у, 2 4 Первое слагаемое в. формуле (2.70) не зависит г>т коэффициента модуля- ции и равно мощности несущей. Полезная мощность, заключенная а боко- вых частотах, представлена вторым слагаемым Итак, средняя мощность однотонального AM-сигнала за период модуля- ции = 2n/Q превышает мощность несущего колебания в (1 t- 0.5ЛА') раз. Нетрудно заметить, что доля мощности обеих баковых составляющих AM-си гнала даже при 100%-ной гармонической модуляции (М - I) равна лишь половине мощности несущего колебания. Поскольку передаваемое сообщение заложено только в боковых составляющих AM-сигнала, можно diMri ить 11 езффе к г и вногть использования излучаемой мощности при амн- .111 IV.II If HI мс )дул Я Ц11 и. Попытки улучшить характеристики амплитудной модуляции привели к разработке нескольких ее модификаций. Учитывая структуру АМ-сигна- ла, формирование радиоканал ьных сигналов можно осуществлять путем передачи: * двух боковых полос частот без несущей (балансная амплитудная мо- дуляция); 167
• одной боковой но.юсы частот и несущей; одной боковой ПОЛОСЫ ЧАСТОТ б(!Э ткущей; одной бокс ню и по.юсы, i ищущей и части isrojHiii боковой полосы частот, Балансиаи амплитудная модуляция, I й-рнос, что приходи i в толоку при раЗМЫШЛеннн на тему пОныпЕепия энергетических x;i|>;]KT[']H!t'i]iK ампли- тудной модуляции, — идея удадить бес поле; пн и1 и ['суще!1 колебни не- Такой способ нлзы вне гея балансной амплитудной модуляцией (БАМ) n.’in сс-иП№- тцднай модуляцией С подинленной несущей (AM-Ill I). Выражение ДЛЯ сиг- :i. ir । I.. । ной ;?. г г-., in Hi хю. . ИЦН'. н it. гр1, и io но. гс . i 11. : ; 11):i|v- лы (2.69), выбрив для упрощения выкладок фазЕжые углы <p|t = Q и = О, Тогда ми ми ыбам(0--^сов(“й + - ЛХ (2.71) В случае балансной амплитудной модуляции (рис. 2.29) имеет место пе- ремножение двух сигналов — модулирующего и несущего. Это явление и сигнал вида (2.71) называют биениями двух гармонических сигналов с одинаковыми амплитудами М1\/2 и частотами, равными верхней и ниж- ней боковым частотам однатонального АМ-сигнала (рис. 2.29, а). Получаемая при биениях разностная частота со. - ш,, £1 называется частотой биений. Рис, 239, Балансная модуляция: а — спектр; б — осциллограмма; в — график перехода огибающей через нуль При анализе осциллограммы биений AM-колебания (рис. 2.29, б) может показаться неясным, почему в спектре этого сигнала нет несущей частоты Oj, хотя очевидно наличие высокочастотного заполнения, изменяющегося во времени именно с этой частотой. Такое положение связано с тем, что при переходе огибающей биений через нуль (рис. 2.29, в) фаза высокочастотно- го заполнения скачком изменяется на 180°, поскольку функция огибающей cosQr имеет разные знаки слева и справа от нуля. Если этот сигнал подать па высокодобротную колебательную систему, настроенную на частоту и>„, тс выходной эффект будет очень мал, стремясь к нулю при возрастании до- бротности, Колебания в системе, возбужденные одним периодом биений, будут гаситься последующим периодом. Именно так г физических позиций принято рассматривать вопрос о реальном смысле спектрального состава сигнала с БАМ. Ширина спектра АМ-сигнала с подавленной несущей такая же, как при обычной амплитудной модуляции. При многотональной балансной моду- ляции выражение АМ-сигнала с подавленной несущей содержит две сим- метричные группы верхних и нижних боковых колебаний. Итак, амплитудная модуляция с подавленной несущей обладает опреде- ленными преимуществами по сравнению с обычной амплитудной модуля - 16В
ЦМеЙ. ОднаКО ЭТОТ CIlOCOv м f) ДУ.'। я 11 и 11 не получил широком! p;iri i]>c>c"i'p«n le- ния, что связано с проблемами, возникающими при детектировании радио- сигнала. Однополосная амплитудная мобуляц^ия. Под ней подразумевается пе- редача облой боковой полосы частот и несущей. Большое значение для ра- диосвязи имело изобретение амплитудной модуляции с одной боковой по- лосой (ОБП; single side hand — 5'5#), сделанное в 1915 г В современных системах радиосвязи часто приходится экономить не только мощность, но ii полосу занимаемых частот. Как уже отмечалось, спектры двух боковых полос АМ-сн гнала являются зеркальным отражением друг друга относи- тельно несущей частоты, т.е. они несут одну и ту же информацию. I [сотому одну из боковых полос можно удалить. В результате получается колебание с несущей и одном боковой полосой. В более общем случае иод сигналами с одной боковой полосой, или сигналами однополосной модуляции (ОМ), понимают колебания, полученные при модуляции гармонической несущей частоты и отличающиеся тем, что их спектр (на положительных частотах) располагается по одну сторону (слева или справа) от несущей ш - tii<r Сиг- налы с однополосной амплитудной модуляцией занимают полосу частот в два раза более узкую, чем обычны ii АМ-сигнал. Tift внешним характеристикам сигнал годной боковой полосой и могу- щей напоминает обычный АМ-сигнал. В зависимости от того, какая боко- вая полоса сохраняется, говорят об однополосной модуляции с использова- нием верхней или нижнебоковой составляющей (полосой). В частности, однотональный ОБП-сигналс подавленной нижней боковой составляющей и начальными фазами несущей ср0 = 0 и модулирующего колебания = О записывается в виде «йвпСО = 6.,„cosfo(Jr + —cos(®b + Q)t. Проводя iiHtH't'THbit! тригонометрические преобразования, получаем “oGrtfO “ 6r„ccistB/и —— cosQrcofioV M MUU — sinQisinca^t- = (Z.l 1 + —COSflr I ClkS (!>(/- si ii £ Lr si n (nor. (2.72) 2 Каждый ii.i членов праной части формулы (2.72) представляет собой произведение двух функций, одна из которых изменяется во времени мед- ленно (отражает модулирующий сигнал), а другая — быстро (отражает не- сущее колебание). Итак, сигнал с ОБП можно представить суммой двух AM-сигналов с оди- наковыми несущими, но сдвинутыми по (разе друг относительно друга па 90’. Амплитудными функциями AM-с и гнало в являются модулирующий сигнал и его квадратурное дополнение. В зависимости от того, складывают- ся эти сигналы или вы читаются (а точнее, какая из несущих опережает дру- гую по фазе), формируется однополосный сигнал с верхней или нижней бо- ковой полосой. Но существу при однополосной модуляции происходит сдвиг спектра передаваемого сигнала в окрестность несущей частоты. В от- личие от обычной амплитудной модуляпин каждая 4половинка* спектра 169
глнчцагтся в споем nan[iaicii‘ii]iи: область iiO.'lO?t(HTtjibHbix частот — к +wD, а обл;н"п> отрицательных частот — к — (i) При форм и рощи ши <иги;а-'гаг ни- жней боковой пологой спектр модулирующего сигнал;] инвертируется (:н'рк;а.1 ыю поворачивается ВДОЛЬ оси чисти т). Учитывая, что * быстр Kies> сомножители находятся н квадратуре (сдви- нуты по фане на 90°), вычислим медленно изменяющуюся огибающую ОБ! (-сигнала: Г г гт И I т', Ь(,Г.Г1<0-*О 1+yCOSQ? W‘ I + -—етп-Пг-Г JL+McosQr +--. (2.73) 4 V 4 l!pc\:ciin;ci iiMijTT'.iii । naori iui i.i-i i <>| j IJ11 ri i;„ u. pmciii i пиная по фор- муле (2.73) при глубине модуляции М- 1 , показана на рис. 2.30 (кривая У). 3,ircii ,кг ... 1:1 гр;:.н.:гц||| .иг. :хини <н иоаютая и.ню .опа.. ..но. и А\1-сш на.ia (кривая2), тоже при А/= I. Сравнение кривых показывает, что непосредст- венное У1С1Т',|<Ч'|।ровгишс ОБП-снгн;ьта но огибающей будет сопровождаться значительными искажениями. Исходная информация на приеме будет об- разовываться от взаимодействия переданных боковой полосы частот и не- сущей. Однако для подавления одной из боковых но. юг надо использовать сложные в реализации канальные фильтры. Рис. 2 JO. Огибающие однотональных модулированных сигналов г pit А£ 1: 1 - ОБП-сигнала; 2 — АМ-сигнала Другой, более эффективной с точки зрения энергетических показателей разновидностью АЙ-сигналов является однополосная амплитудная моду- ляция с подавленной несущей (ОБ 11-ПН); ЛЯ’„ “ОЫ1-ЕП|(П - —«>*<<□,, I оу. Данный вид амплитудной модуляции представляет собой такое преоб- разование несущего колебания, при котором спектр радиосигнала полно- стью совпадает со спектром сообщения, перенесенным по пси частот в вы- сокочастотную область нижней или верхней боковой полосы. Передача одной боковой полосы без несущей обеспечивает минимально возможную ширину спектра канального сигнала, равную ширине спектра исходного сигнала, что позволяет наиболее экономно реализовать линей- ный спектр сигнальной полосы. Передачу одной боковой полосы частот, несущей и части второй боковой полосы частот используют, когда спектр исходного сигнала начинается от частот, близких к нулю. К таким сигналам относят телевизионный сигнал. При реализации этого метода канальный фильтр должен иметь кососимметричную характеристику коэффициента передачи относительно несущей частоты. 170
I Li практике однотопа-тьные AM-t'iinia.'i ы пс1111.1ьиук>гся либо для учеб- fieiix, /1111X1 ддя исследовательских целей. Реальный же .модули рун ши ш сиг- нал Имеет Сложныii eiit'KTpii.'ibiibiFi согган. Ма тематически такой сигнал, со- стоящий ии jV гармоник, можно представить т]]нгоио.шч’ричегкнм рядом А - ££;rns!l/. (2.74) г- I i Li('(' ь им। иг 11ту/1 ы гармоник cjii 1ж н t >mj- м(»дул 11 pvio 11 к i it> c 11 иEuiJi £, ] к я(ЗвОль- nhi. a 11x частоты образуютупорядоченный Спек тр Q, < Х72< ... < fl- < ... < flv, В Отличие от ряда Фурье частоты Q не обязательно кратны друг другу. Подс1а1С[яя ряд (2.71) в формулу (2.65), ПОСЛе несложных преобразова- ний получим ныраженне ДМ-сигнала с начальной фазой несущего Фи= О l' ""i uul(X) “ L,r, 1 + XjW,cosQ/ cosco^t, (2 75) l Г - l } где Af, - kAEr/Utl — совокупность парциальных (частичных) коэффициентов модуляции. Эти коэффициенты характеризуют влияние гармонических составляю- щих модулирующего сигнала на общее изменение амплитуды высокочас- тотного колебания. Воспользовавшись тригонометрической формулой произведения двух косинусов и проделав несложные преобразования, за- пишем формулу (2.75) в виде *MU Л MU «АМ(0 = f,,.icos®i/ + X 'ws(cou + O,)f - X - ; 't osfeo^, - Q,)t (2.76) i-i 2 -I 2 Из формулы (2.76) очевидно, что в спектре сложного АМ-сигнала наря- ду с несущим колебанием содержатся группы верхних и нижних боковых составляющих, являющихся масштабными копиями спектра модулирую- щего сигнала и расположенных симметрично относительно частоты totl, От- сюда следует важный вывод: ширина спектра сложного ЛМ-сигнала равна Двоенному значению наивысшей частоты в спектре модулирующего сигна- ла т.е. Ди,. = ДюАМ = 2QV На рис. 2.31 [Юказаны спектральные диаграммы при модуляции несуще- го колебания сложным модулирующим сигналом. Очевидно, что модули- рующий сигнал 5,.(и) (рис. 2.31. а) в AM-сигнале 5аМ(и) расположен по обе стороны от несущей бг,. (рис. 2.31, (5). Рис. 2.31. Спектральные днигржммы при модуляции сложным сигналом: fi jKijy.ii[рунuni'll! ciirjiiL'iii; 6 АМ-Сигиала Пример 2-5 Определим спектральный состав н запишем аналитическое выражение АМ- еигнала иЛЛ|(Г) - 20(1 +05 coslOVXoslO 'f. 171
Ранение Воспользовавшись соотношением (2.68), находим, что несущая частота о,, = - 10’; частота модуляции Q - 103; боковые частоты <и„ + fJ - 1,01 10s; ш,, - fl - IC .1.4.1.11 . t;i III 11,1'Г ; In 11 ,и.л|к||И Ц1 id i м 11.1.-,. и 11 11 M (l..j довагтелъно, is соответствии С формулой (2.68) uAM(t) = 20cos 10’f 4- 5cos( 1,01 10’0 - 5cos(0,99 10’0. Приведенные рассуждения справедливы не только для дискретного спект- ра, но и для любого вида спектра передаваемого сообщения. Можно считать, что спектр модулирующего сигнала заключен под огибающей заданного вида. 13 этом случае спектральная плотность передаваемого AM-сигнала со- стоит из двух симметричных идентичных всплесков спектра модулирую- щего сигнала to) относительно несущей частоты ш|Г Значит, для опреде- ления спектра AM-сигнала достаточно сдвинуть на частоту ш0 огибающую спектра исходного колебания, В настоящее время амплитудная модуляция применяется для радиове- щания ня сравнительно низких частотах (в диапазонах от километровых до дскаметровых волн) п для передачи изображения в телевизионном вещании. Соносяиилвмие сигналов с вариантами амплитудной модуляции. [ 1а рис. 2.32 показаны диаграммы сигналов и их спектров с вариантами од- нотональной амплитудной модуляции: AM, БАМ и ОБИ (на эпюрах /0 - - 2л/<в0- 1/Т0 — циклическая частота несущей; F- 2n/Q - 1/Т — цикличе- ская частота модулирующего гармонического сигнала). Как очевидно из сопоставления эпюр па рис. 2.32, а, б и в, г. устранение несу] него колебания в AM-сигнале приводит к существенным изменениям Рис. 232. Эпюры сигналов и их спектров с вариантами амплитудной модуляции: a. fi — АМ-смгнала; в, ? БАМ-снгнала; Э. г — ОБП-си гнала 172
огибающей лп1дули]нжа1ннп(> колебания, котецшя перестает копнроватЕ1 mi>- лир-. ющии си на. . Это cue гоя i. алию . с. южняс i д; i<:Ci ; i ;i: и;* 111: - при- нятого ГИГПЗЛа — (ШреДСЛСННО МИДу.'! ИруИИЦЕТО I'll riin.llii при Приема 6н1ЛЙНС- ш>-модул ирона he ее но колебания. Если убрйть и нижнюю покину io частоту (получится М<)Д_уЛЯ[[ИЯ С ОДНОЙ боКОНОЙ ПОЛОГОЙ — 0БП),1<)<.'11СКТрД<‘МО1|- <"rpi1]] VC! Г ОКОПОМ ЕНН1 11CEHVI ElliUBBI I ИГ < ЕТЕ5СД(!1Н1ОЙ ПОЛОСЫ И МОЩНОСТИ НСрС- дйТЧИКа системы радиосвязи (рис. 2.32, J, с), но вместо модулированного КОЛсбаНИЯ ПСсчичится гармоническое г частотой, ранной частоте1 верхней 1ХЩ0НОЙ /0 + F. Для того чтобы нрюдетектнроьать такое колебание, надоон- реде,'|ит11 амплитуду и частоту модул и руюпщго сигнала. Наибольшие проблемы возникают при определении частоты мод ул мру- к»цени сигнала, 11 откол ьегу надо знать час тоту несущего колебания. Есть не- сколько варили тон решения агой проблемы. Например, можно непрерывно передавать н точку приема это несущее колебание с сильно уменьшенной амплитудой (в виде так называемого nu.itun-fU/’.nfi.ia'). Несущее колебание можно та кже' передавать периодически, синхронизируя Этими «всплеска- ми» генератор несущей вточке приема (гак пщхдают информацию о часто- те н (|>азг цветовой поднесущей в гиг гемах цветного телевидения), ОднаКО Г.1ОЖ11ОСГЕ1 ЕГрОЦСЕ-еа дегекги]нж;!11ня ОКуПаСТСЯ iXUiee Эф^КТИВНЬЕМ ис- пользован 1И‘М полосы рабочих частот. Cheheliki с a.Mi ел игу дно-импульсно и 1иО/|уляцней. fl теории связи широ- ко применяют раЗЛНЧЕЕЫе модул иро ванные импульсные ШИ’.'Н'ДОННТСЛЬНОС- ТИ) Среди КОЮрЫХ следует выделить шц’т,1ед,ователыни:] И прямоуго.'пигьгк |ЩД11ОИМПуЛ1Л'ОЕ! (рис. 2.33), Вычислим спектр радиоимпульса, получс'1 II lo- ro при амплитудной модуляции гармонического штущегоколебания Оди- егочным импульсом амплитудой Ен ДЛИТЕЛЬНОСТЬ еО ти (рис, 2.33, (i). Его спе- ктральная плотиоегь ОПределнетСя фо]1МУ.чой (2.33) И имеет вид (функции ЗШЛ/х Запишем jyin ||рям0уг{11ЛЬЕ[ого радиоимпульса; и _ f-Е./2 < f < т„/2, w VU<-r,/U>V2. где /гл безразмерный коэффициент пропорциональности. Определим спектральную плотность прямоугольного радиоимпульса и сравним се со спектральной пло гностью подобного видеоимпульса. Спе- if' F. (2.77) -t,/2 0 г„/2 f I Н I 2л, со б Рас. 2.33. Импульсные сигналы: а — видеоимпульс; б — радионмпулъс 173
ктральпук) ПЛОТНОСТЬ радиоимпульса ВЫЧИСЛИМ, при МГН НН К ШИрИЖГННН) (2.77) прямей! преобразование Фурье (2.29), Примем k^EU^ = Ц, и запишем г нейтрал иную [г. к>тнОС гь: т,/г г г Г т,/а т,,.Т \ \(ш)- J Гфсокш,/-^^ — J J I -T„/i 3 l-Ти/а J H этом соотношении первый интеграл определяет спектральную плот- ность исходного видеоимпульса с амплитудой Е = I при частоте го - и?,,, а второй — ту же спектральную плотность, ни при частоте си + Поэтому последнее выражение можно записать в следующей форме: 4<®’) = pAo-(|)J+5(<|)+<B|))|. <2.78) Подставляя значение спектральной плотности импульса из соотношения (2.33) в формулу (2.78), получим спектральную плотность радиоимпульса и т W— 2 sin0"*'’"»’-' (и + ojr,, 2 J Па put'. 2.34 вреде г; i плены диаграммы спектральных 11 лотногпей соответ- ственно модулирующего видеоимпульса и аналогичного ему по огибающей радиоимпульса. Как нетрудно вамсгить из приведенных графиков, Спектраль- ная ПЛОТНОСТЬ радиоимпульса ПОЛНОСТЬЮ повторяет по форме слпС^таль- ную плотность модулирующего импульса. Основное отличит спектральной плотности вилеолмпульга (рис. 2.34, д) от с пек тральной плотности рад по- им и v. пн а той жг<|юрмы — наличие сдвига спектральной плотное г и р;щ i н>- импульса ло оси часии по <>6t! стороны от начала координат назначение не- сущей ±п)0 (рис. 2.34, «). Рис. 2.34. Спектральные диаграммы: а нидиопмиульса; d радиоимпульса Полярная мпдуляпня в стереофоническом вещании, и 1939 г, инженер А. И, Косцов изобрел еще одни вид аналоювой амплитудной модуляции си гиалин, назван hejii полярной модуляцией (ПМ). Сигналы нс hive я к лея кн- лебаииями с совершенно ионым видом модуляции. Это скорее демоисгра- 174
Sil. ijimliKii'AVoK yoHderou itchjhj цнимкииофо^.пз '4f’6 '->rl<i -ЯОЭ Klftf "ЭИООДНЗиГ НО0ОЯХЯЁ Я BBtireHi^li' 1jihTibIi*A1.'oi\ i?i.eiii.iii.i k!'1ihhhIi*h!!.l,i -e>j huei.i.o.i.otihojieiii [ j нннионгол ,ii'iu.i..ioi is-nrct и .ii'iiifhlWWAj я SITOXEtKiEWlQOSdU ,\oi i. । l-i ?i к h :iv .\.',’.i и к.я iHAiinclyoddii яшлглия (у)л :1:1:4.1г и ii.iuei -litiii e!SeAhe: hIi'tIh.ihJ йий.1.;)и.) iitri.ii)iiiiii(x|)i]O(lo.i..i j '(khJiKii'XVOlm i-is'nnir.iA is.j.i .? -ЛИЧ1ЛМ1ЛИ) t!!XHh.l.!!lA>[[rill EickjU.HL'AVmV VOXtl E!n 11 N(lll.l.l]3l ‘IfliH.I n.> rtniri -rniid!n:H(>(HV iirin.].().i.jirii(]>it:nn H.).i.ijX[lnIiin|nil.'in\ isiiiii>)ii1'*»o.'ieL1i..i hii !.-' Aiw.i.khjj lh miJmiii’jrjmli! и гч 1151; j-.э ь. ] 11 j с и |m m c 1 rc h.ijinhIiiOe^ivu Й5ЙА .1 -нпнок! 1 i: .il.i.i ii nil'll ri'ii:;. Hiiiirl.i.ii o. :i >.n i' 1 'iiiiij.i.on.k iJ.u.i.ooekIhhlI nd[ | [IHlLHXodilOl Ill'll Ч11КЯ.1 lltllllll.' lllJIll'O Oil HOI. Ell I l"l (о.ЮЯ lid!!) (/ii II ([ kJ (»l Jl,’) (y)j i4ii'btii.iiO 4.i.tfHl3tfai:l3ii OKHVOXQO0H KHiiVTiiriHooilo.i.i 1хия;х1ипн1нн|х)н(н\ .) о. них 11.1..1 ни! i. я.ч i .Ml ii.<.>:i is.. ] ' ’inn. iji 1 г -I-: i.itL-: 1.1 rii.iiu.iu.? u i.ni in 1. .111 ’.jl'. 4 ! он 10г UOIIIIllY-'llIlLl I IE .J.dKI.'tШК1Ш E!|J’H|[.I IE.) O.IOIXJIUJEll.'iXloi I 1!е[К.1.ЯA(I.I.J KTIUTIJ^ 'MHHlllllJ — (li J11 I. j t. Г11 Г ,'M4H'llASlLl!]]]1llj.<)) KHIIJKI1II I! L|.rllEEltX lll'IEii)!.' ().!.!-! — ISEillHHHUJUO (HHJJ -iiMtiiS: ^i4iriir^j.ujKtiirt)ii) HisiixtL)H :sioii't!iitJSi<i5dS.L3 CH OJOHl/O iClflJH.IHJ j.0Ah.iO -.1.,111.1.( X) J II jl IIIU IS1ГН El.I., X).) I I () 1111 IS( J.I.I X) I H Й.' [ II 4.1.Jl IIПЯ k I. .) X 11 И 111 I IS Ell.'jfl kill '().J 0.1. < )d l. ()<] . I.I.H k.I.IE; In OH J.IHH1i'e!| IHO.I Oil JIlIlltXrOII.K) {HEhriirdJ.TlllIIEl.l.U) ISHIIHCIHI И (к11Е1Ч1.гЙ.1.НЖ -!11.гО1|) ISISHXiLlHI О.1.! :LWN.I..M1O!IJ l\J'J]i;XnliJ.E.IIH ,UI!:l:'l!ryo XHlll[IIHIiT-LT?.l..,Hj;> XriEE.I.O.I.,1 -EhOatHM I'Hidhiiii'T^ii KElirl/ci.iiriro H-i4itiunmnn-(>N .i.oisin 1чягл o.io) I.IHI III.) is.: I 11 11 II : II"...'.ГО I ] ffr Jlld Ell I ’.:i I-11. IH'.I . Jl ’.ll.ll I HDLlIlKI .,'1':IK HOHtl Hi HI .1 Hij'IIiieh;'* VivhiekI.uii.ti ill.io isihleiII и и 'OHiIusirAl'oiv niKiidtsii'Oii KXg'Hi'OlOH '.i.ihIII'e: -oj ,iiiiii^liii)i[iinl.'r([ jo.x.)i)iiiii!()([)<iisdii.i..i im-ixj.ijiiihih|>(:hкж .) ЭОНМЮ^Инп^} 111XLrZH LEIE14. jLE<L11 1114 11.4.Xlh I 11 lOlflEH I -OIV J KI1IIH1HOHOI[1i'e!(.I rihia.LjHj EI0>lJ,l]illllO([niiXl,1J..}4mjflH'nUf.Wlt^r?.l Kj.l.i)T!.IH.].Jl}l,r Oil IVIl.LfS HlJu (IXHIlVfJ tlUlllfhOkLdH l].llllll!llll .1.0 f'^JXOJ^ = (j).f l.'HH.I H.l — ALVOLlAch.' ou s влинкоюи ojo^oir ю soo'j = (jk irrii.iii.) Ho.i.oirt.'adan xwdoiox ch AlVIHll/O OU ‘rj.'Ell ll!H ХНЯ;^Н1111(1||Н1НО1Л1 ГЕ11.' Я HElHl'.J'I.EJll Ч.1.И liAl.'OH OHJKI1K irrunx -OIII'EkI 11II51. j.ir. 111 IS :u 11! >. Jt L; j.l.; j Jtliull until! £J 'ПЯЛЯК иН!!1'Л(1,>]| ILIIir[li4!IH14XAI[tr mill i i .. 11: ।?.i i: 11 ri.x|i<iro.i;l.).i..) iiiiii ixlox oiilo.: u.i .io]' Hon.iji.iiiKiijiHioix ix.ii i.iirni !М!Ч1|'.'1.1.1111Г]П-: IHl'mlid.lIHllI IHIJl.hlllUHCH|Hlod,O.IJ 14014HHOl'jh HH.I.HHeIi I.HIH IMll.jOhtS.U Ot)H1-[IIJ..4O4.UAij riKil.I.JH .1 ( LIГ11114. J-HCJII — S’fJliWyV ’hOEl.l .1.1]) JIIH .Mil И EUIl|lOdlL]J.J IS.) -j.CnXf4TrOl]0H 3lH3h 000 (WWVO — SOUpitU 'bad-1 J.o) EEi4HJi00hninx[)i]iniiv 0 AIZeSCIiIh и и HEilikHiiiiiVild у '('h'.i. и huisii.miuIi'uh 'HHiial'iiHai.iAi.) Kiiiial'^iiiiiHliiEi;) н.юяояЛяр: ХГЯ.1..)И(н1.1..1А Х1Ч II hHIl’Hlfll Я И IE1}IIOI-:ri 1ИИ1/ О.ЮЯ(н1.1а11\П1|!)1.' I! ELIOEKxl.J.iJlV I!] 11 Jill U.K! -[>j 1 l.'ir<Ltl hhiio([)|].j[L).i..) iih1ilie:jij.'L!0(I o.b'il'iioii 'kihLil.'in: iiohjoiiHhx.'i.i. euj-ii.i;jcIjh -НЕ1Я Him l'HII.kI Ej].'1.r HHlIHir.Cl.'OlA HOJJl.'A'.J.IirillVr H.I..IC J111/t Itl C > IJ sn ГЕ L IS 1111011..] IX 11С11 [ ISJ11I
мЕСтимОСги С монофоническими преемниками должна иредСтанлять м<шо- (||[ШИЧОСКИЙ СИГЕЕЗЛ, Т.С, ty.VMV <‘игп;игон J|(!IHI1EI И [rp^HOl'O KillLl.'lOH: МО = + К0- В области болЕС ВЫСОКИХ (yjihrp;i;tiiYK()E5Eiix) ч;к тот модулирующего сиг- нала г 1ЕОМОЩ11Н1 ампли тудной модуляции передается дополнительный СИГ- ИЛ.'I, 11оие!о.1Я101Ций вПОСЛЕДСТВИИ ныделнтЕ1 ин полученной смоги сигналы /(/) и г(/) его отдельности. 11<н кильку монофонический сигнал — Это Сумма двух каналов, дополнительным КОМПОНЕНТОМ, позволяющим носстапонять исходные сигналы двух каналов, надо EiEiEopaTfi их разность: ^(t) = /(*) - <t). Разностный сигнал модулирует но амплитуде нс ном о^тель ное поднесу- щее u и с окочастотнею колебание и (() = бг„СО$ ait, где U и <йп — амплитуда и частота. Сумма модулированной разностным сигналом поднесущей и мо- нофонического Сигнала Уь|(/) образует полярчо-мпдрлироналное колебание. Для формирования гнкено ел г спала нспо-шауют cy.\tMajnin-pa:ut()<rmihiii .ме- тод. Действительно, нужное свойство передаваемого колебания будет реа- лизовано, если скомбинировать монофонический уДт) и разностный w|((t) г и тна.'И11 следующим образом: ЛО + КО f „ко ко где Л/ - коэффициент амплитудной модуляции, одинаковый а обоих ка- налах. Если cos го= I, то «ПЫ(О = Ул(1 + ЛГ/(О), т.е. верхняя огибающая поляр- но-модулированного колебания действительно отражает сигнал 1(f) левого канала. Если же cos о, t = 1, то напряжение wnM(O = бг,,( 1 - Mr(t)): значит, нижняя огибающая соответствует правому каналу r(t). I? отсутствие пере- модуляции огибающие имеют разные знаки и могут быть без труда разде- лены в приемнике. Выделяя, а затем складывая и вычитая колебания и SE(t), можно восстановить сигналы левого и правого каналов: ,(t)_«.(Q^<0; КО_Ч.<0-«,(0 Использование поднеарцвй частоты. Необходимо заметить, что и изоб- ражении па рис. 2.35 сигнал для передачи не используется. Дело в том, что из-за наличия несущего колебания «размах» сигнала (суммарная величина максимальных отклонений в сторону положительных и отрицательных значений) сильно увеличивается но сравнению с монофоническим сигна- лом, что технически нежелательно. Поэтому несущее колебание частично или полностью подавляют, так что разностный сигнал передается в режиме пере.модуляции. Непосредственно сигналы с полярной модуляцией в вещании нельзя применять, поскольку они содержат низкочастотную (звуковую) составля- 17&
ющую, 11]к»|урцн[.>11й-'111нун> полусумме колебаний левого н правого каналов. Поэтому переходят к двухступенчатому процессу. Вначале формируют сиг- нал с полярной модуляцией, выбрав в качестве час п )ты си, поднесущую ча- стоту, лежащую значительно выше верхней границы передаваемого звуко- ного диапащны. Потом пропилят частотную модуляцию несущего колебания, частота которого соответствует метровому или дециметровому диапазону воли, В качестве модулирующего колебания испод нзую- поляр- но-модулированный сигнал, полученный на первом этапе. При детектировании такого колебания к обычном монофоническом приемнике и оду раз постный сигнал не нос производите я. поскольку его спектр расположен в окрестности поднесущей частоты, т.е. за пределом звукового диапазона. Полусуммарный сигнал поступает на выход прием- ника и обеспечивает вполне приемлемое качество звучания. Стандарты 1тор<чн|)оничег]И)П1 ]ждио1«!1ЦгН[ня н России и ?ta рубежом от- личаются друг от друга. Принятый у нас стандарт устанавливает частоту поднесущего колебания 31,25 кГц. Для эффективного использования ра- диоканала в передатчике поднесущее колебание ослабляют по амплитуде в пять раз, а в приемнике за счет специальных схемных решений восстанав- ливают этот сигнал ди исходного уровня. Такая мера связана с тем, что по стандарту девиация частоты не может превышать 50 кГц. Если использо- вать этот ресурс для передачи вспомогательного поднесущего колебания, то возможно ухудшение качества воспроизведения звуковых колебаний и прежде всего снижение их громкости. Америка некий и европейский стан- дарты решают эту задачу по-другому. Частота поднесущего колебания там выбирается равной 38 кГц. Это колебание подавляется в передатчике пол- ностью, а вместо него в состав модулирующего сигнала вводят так называ- .-.411:111 -II: <,.Ч 11.1 ЧГ.Г ИНГ I 9 L. Д. Н ’I | ! И’М 11111.1 1.11 " I I II Illi. It)'l - I : I : I ЦГ1- нвается, и за счет этого происходит восстановление поднесущего. 2.4.2, Сигналы с угловой модуляцией Обратимся к аналоговым модулированным сигналам, полученным пу- тем изменения по закону передаваемого сообщения в несущем колебании (2,63) частоты (Of, или пэча. 1ык)й фазы tp(l. Поскольку н Этих Случаях проис- ходит линейное влияние на аргумент косинуса, а Сам аргумент гармониче- ского колебания цф£) “ <в07 + (р0 определяй г мгновенное значение фазы, та- кие сигналы называют сигналами с угловой модуляцией (УМ). Если н несущем колобаии и изменяется час тота <oN, го имеем дс.ио с частотной модуляцией (ЧМ), если же изменяется начальная фаза % — то с фолочой мо- дуляцией (ФМ), По существу различие между фазовой и частотной моду- ляцией заключается лишь в том, как именно мгновенная фаза y(t) связана модулирующим сп. па. ' j. Чтобы i-iu iii: . 1. <: :;ы, ,.;irifi поп мо.:\. .яцпп с фазовой, введем понятие мгновенной модуляции, равной производной от полной фазы ио времени ю(Й) = dy/dt. Частотная модуляция. Начало широкого практического применения ЧМ в радиовещании положил и 1935 г. Э. Армстронг1. 'Эднип Армстронг (Ii. Aniisl.miig, 1890 195d) .iMcpinca некий nisrsTipi'niTr.-ii, и нижскс]! .•пектрик, внесший фунлпмситальный вклад в развитие ради». 177
в£1 f, — p iiiiiiioi.idHii'At'OEV — g LaHnegairon эаЫЛэан - p ;кнпк1гапоь вгвн-лгвноинпго nmoiafif! згу ''ш И I ll I ISI. Al.'fUY IHEH.I.ll.L.Hih 1!. J.IEh ll/H L E bllllilhEil Ii: .1.11 .[.К.1ИЯНЕ I4HIIHIJ -ЙГОМ О.1Д1 l[A;ir4lI HHIIfjHH.IKJ..lt!ll 111.01 НИ.1Д!Ю Ч11ЙЯ1н1А И И1\(к|ф ‘l!M lllOlvdli.l И4И1.1 -J.Atl ГХ.ЛЧ |)1Ч.1.ЛИ H.L.H'lJ LI IM’I.I.EiJK,I .1.19111911 IVIHIEil I Eil.OHl.l IL> lilVltEid.EEil ll' HUHHJIV -ЙС|м Й1Ч<1оф Oil ll.I.h L4J.HiaWBf M ‘9tL’S ,U[1^ rJJ — 1‘lSH.IHJ-j.^lj ИИПВЮСг'ОК HOll.lJl.I.H’h OJ.lSlltlllll Я LII'IHHOhAirOll И О ’gg'£ '-inti !!H — = "ctl ИО£Нф И ОМЧ ТГНЬ fill J (/),! l.’Eil I.I 11.1 HH1EIO9 AtlUL'AVOW ‘П ‘9£'£ 'IMIli fill OELEiEIITHOEl Jjft = = flQ ноятгф lioirifruiil-lll .) OJ1II14J|)I.()33 iXl)llA.h)|j HHllJiirA'Vohl HOI I.LO.L.lHh lltlll HO1.TJH.II1.1 14 IVLIil’tl.l L’l n.r .<1'11111г11ЧьТс1н Ol'HHIilllHMll I A’ 1'9 HiJirUTi.I.-lVillllJ J[I<1 l! j [ (1Я7) ’0ии18''ш + /wJsoj'/j = Q)9hsoj"j = iol.'iisi iiiiilJioiAl.'L'ji.'J ii K.ii.riiijjiiiiTi: li“SH.IH3 MNHHEiEKHllII. Al.'OR-OHiOl^Rh II (gQ'j) ИИНЛТ1ТОНЮОЭ HOJ.ilhX J eirewjjraowwj гтееф трнчк'етдти инн - ti(J,U,'till 4J.JUHEU13IIO.LIEH .LDKirOl,r3lijJO dawdlju ИЕЧННЕТ]/ HniiWr/SjfflOJV rlOillUUUl.Wh n‘fj:)^>pnn KJj.n[fs9Ni:ifn niidtu.im ‘киннуаь'Оя о.1й1на.>йн 1Ч1:иф hj. ji ‘/g> нвдф lialJIAJIAL J.O SltllOHOlfMlO ЙОИЧ l/lil\n;)Jllil1l — = U/*De0 = -HlIlQTl' - A 1/014 HOH.UJLL.lHh mill (ittHIlJliUj) tmhnnWQ Ill.'H ,0(» КЛЛЙЬ - euRiii i4io.L,mii дииэ1ил,'М1о aoHMnihiH.iiifik —= hVd) (08 ?) энгХиЦоф ц < Q8Z) juuis'Vu+ 7®id- U oo = Щ J 1 -(.(iL Z) уОНН^НОн.ЕШ HTii нvfkn:1111L.i.j.i.u11 iwi.i.Afi ivn[,'..n.,',)tli](> j iiuhdu.k.Ih I.HilIVOIt IlClOOIf.' El EiirtfHJH^-j/^h Af:iif[) (HAHI/fJJJ 'HIlHiJI IKIH.IjIIEIJ Liriirirm.I.^hllOHO H • i i.i-i'i ।. 11.4-..।.m ;।-i i-n 'м ;i' i ।:-:|। -n:iirii ”:i:ii ;11 .:i:-r. । • । ii’ 11 i: 1 r - i'i-i :i :;ч :: .:! i C.j.iFi ni:i?(|) линч inf ,::n и ч i । [ () '(1 i":i?i|j к-.: 11'i i .:! . :i i niiii.iiuod - uX KlTlZ OJOdOlOS = (jf)y анинойгои iio.yjoiiiuioi^tlir.i — 1гон.гий нити - fм a<| 111 "Al.'[ mv ШЛц'(HriiiK'irfifxin- (цфтдоццть otfin<tri>ii<>uiti iv f i d.1.1 ни.) ,ir( j ( .1 у ) /l.'irtL ' IVJHHiJlR]{<]]! -fill И ИО.НИ.ЛГМ ЛГ.Ч<Л14 11 I.HUI4I Sil 1ОИ1 kIiHHmLh .1.11. jHl 11-1<[j«:< 124 IIHIHtldlVrEid — ''^OL'J <6£Z> '0» + °® - 0> in'ij.JiHiiJiJHHEifl (/);> wOirHii.iii.l ivHliitnKflnirXTj'0'Ш /iOiiII^bei;) i4.LO.TJtJTi И&ТпХэзн TlHHIlhfilli: DOHHDEHEELIIV — UnilUjnptmi fi.fUMlbrnf) HH1 iKl.'A'l/OFV H0EI.lXU.3Hh HiljJ
Спектр ЧМ-сигнала при шЬютгталънпй лах/уляции. Используя изве- сти ые r|iHiimi[»STirqTii'irt'Kii[' прсобрзыщ^ния, Запишем формулу (2,81) СЛ&- цуинцимпбризпм (здвСЬ И Далее индекс v коэффициента модуляции Опу- щен, г,е, ?лч = т): ti1|W(f) = <7cos(w0r - ffisiiiQf) = = r/IJco.s(fflsiiiQf)['nsti)0/L - (Zrisin(zrtsin IlrJsinmHf. (2,82) Проанализируем выражение (2.82) отдельно для малых (m^ 1) и боль- ших (m> 1) индексов модуляции. Спектр ЧМ-сигнала при т<& I. Такую угловую модуляцию называют уз- копаяосной. В этом случае имеют место приближенные равенства coe(msiiiQf) « 1; sin(msinflt) » изтП/. (2.83) Подставив равенства (2.83) в формул у (2.82), после несложных преобра- зований получим (при начальных фатах модулирующего и несущего коле- баний G. “ 0 и ф» = 0) ii4M(f) = (/„cosdo^ - U„m sin fir -siiHo,/ = лг(7„ mU„ = Ь^совсо^-Ь -^—i4»s((i)lt-Q;V-----— tos{(Dj| - Q,)/. {2.84) Сравнение формул (2,84) и (2.69) показывает, что по аналитической за- писи спектр ЧМ-сигнала при однотональной модуляции напоминает спектр AM-сигнала и также состоит из несущего колебания и двух боковых составляющих с частотами (й^ + £)) и (ол - Q), причем и их амплитуды рас- считываются аналогично (только вместо коэффициента амплитудной моду- ляции М и формуле для ЧМ-сигнала фигурирует индекс угловой модуля- ции пэ). Но есть и принципиальное отличие, превращающее амплитудную модуляцию и частотную: знак -«минус*- перед Одной из боковых составляю- щих. На рис. 2,37. а показана спектральная дишрамма для однотона?)иного ЧМ-сигнала при индексе модуляции т <£ 1, Отметим очевидное; ширина спектра ЧМ-сигнала, как и спектра AM-сигнала, ]>авна 2fi, Построим векторную диаграмму ЧМ-сигнала аналогично тому, как это было сделано для однотональной амплитудной модуляции (рис, 2.37, 6). На диаграмме показано, как поворот фазы вектора ,4/2 нижней боковой составляющей (7^ на 18(У влияет на вектор результирующего колебания ОВ, который изменяет свое направление относительно вектора несущей Рис. 2.37. Диаграммы ЧМ-сигналв при т <К 1: а - спектральная; б — векторная 179
Q4. Такое изменение iihii]ihe!.i(,iii!1i №кгора OB характерно ДЛЯ угловой мо- дуляции и зто отличиег сг от амплитудной. В то же время изменение на- правления вектора AD на 180' не влияет на вектор модуляции Л5, который всегда перпендикулярен вектору несущей ОА (для сравнения направление вектора AD нижней боковой составляющей при АМ-сигнале обозначено штриховой линией — вектор АО')- Итак, вектор результирующего ЧМ-ко- лебания ОВ изменяется по фазе, г,е. с течением времени «качается* вокруг центрального положения, 11ри этом вектор изменяется н по амплитуде, хотя теоретически этого не должно быть. Этот нюанс связан с тем, что формула (2.84) является приближенной, поскольку равенства (2.83) имеют прибли- женный характер, Однако при т 1 изменения амплитуды вектора ре- зультирующего колебания ОВ настолько малы, что ими можно пренебречь п модуляцию рассматривать как частотную, Спектр ЧМ-сигнала при m > 1. Этот случай представляет основной прак- тически! 1 интерес, поскольку при больших т помехоустойчивость передачи сигнала существенно выше, чем при амплитудной модуляции. Здесь при расчетах оказывается удобным аппарат функций Бесселя1. Из математики известно, что эти функции косвенно определяются следующим образом: sXi cos(insinQt) =Jfl(wi) + 2 J^/wOcos 2n£l£ <285) sin(OTsinflf) = 2 2JJlf+J(wi)sin(2n + i)£3£ n- (I гдеJ„(m) функция Бесселя 1-го рода п-го порядка. В теории функций Бесссля доказывается, что функции с положительны- ми и отрицательными индексами связаны между собой формулой Л(»)=(-1Щ»Х <2.86) Ряды (2.85) подставим а формулу (2.82) и заменим произведение коси- нусов и синусов полусуммами косинусов нужных аргументов. Тогда, с уче- том формулы (2.86) “чм(0 = <Vfl<m)COSe,(/ + £ O,J1,(/?7)COS(fi}(| + + п - 1 + S( l)"i4Jn(m)cos((Bft n£l)t. (2.87) п-1 Спектр ЧМ-сип1аласол110ТО1[а.1ьлой модуляцией при т> 1 состоит из мно- жества гармоник: несущего колебания и бесконечного числа боковых состав- ляющих с частотами + n£i jи - пЦ расположенных попарно и симметрич- но относительно несущей Исходя из выражения (2.87) можно отметить, что начальные фазы боковых колебаний с частотами ю(| + «Ли щ,., - Ш сов- падают, если п — четное число, и отличаются на 180', если п — нечетное. Теоретически спектр ЧМ-сигнала (также и ФМ-сигнала) бесконечен, однако в реальных случаях он ограничен. Для детального анализа и постро- ения спектральных диаграмм необходимо знать поведение функцийУ=(ш) при различных т в записи мости 0'i п. 1 Фрилрик Бессель (Е Bessel. 1784—1846) немецкий математик и астроним 180
Pit!'. 238. Графикц функций Бессели На рис. 2,38 показаны графики ряда функций Бесселя. Отметим, что чем больше индекс функции Бесселя, тем протяженнее область аргументов, при которых функция мала. Поэтому Считают, что начиная г номера и ? in - 1 значения фу и fiiiiii Ini те. it етапопятея ш ci.'.i:i m:l i .... pain i г г: екай ши- рина спектра сигналов с угловой модуля иней Дщ. - Дсв^ = 2(ш + 1 )Q. (2.88) ЧМ- и ФМ-ситиалы, применяемые на практике, имеют тп > 1, поэтому Ли,. = Дш = 2mQ = 2fiJv Полоса частот ЧМ-ги гнала с однотональной модуляцией равна удвоен- ной девиации частоты и нс зависи т от чистоты модуляции. Спектр ЧМ-сиг- на.аа с угловой модуляцией при иегармоническом модулирующем сигнале определить трудно. Но он всегда сложнее, чем спектр AM-сигнала при том же модулирующем сигнале. Спектр простей i него ЧМ-с и ] нал а при гп = 3 по- казан на рис. 2.39. -6-5-4-3-2-1 0 12 3 4 5 6 (ю - сМ/£1 Рис. 239. Спектр простейшего ЧМ-снгнала Фазовая модуляция. В ФМ-сигнале полная фаза несущего колебания изменяется пропорционально модулирующему сигналу: v(0 " «М 1 где £,|, — размерный коэффициент пропорциональности, рад/В. При од i штопальной модуляции фаза несущего колебания у(г) - Фв£ + £1|;£fi™>Qr. (2.89) Из формулы (2.89) следует, что, как и в случае частотной модуляции, полная фаза несущего колебания при фазовой модуляции изменяется по гармоническому закону, Максимальное отклонение фазы несущего колеба- ния от начальной фазы характеризует индекс фазовой модуляции »Ф“М’ (2‘90) 131
ПодС'1 jiHjniff выражения (2.89) н (2,90) н соотношение для несущей (2,63), получим иФМ<0 = бг„сок(ю(|Г + ^E0cos£l£) = l/Ncos(»t/ + тфсоаЯ£). (2.91) Д|1[])(|)(|р(!НЦИ])уГГ формулу (2.89), находим мгновенную частоту ФМ-С111- H<oia; си(£) - xy(t)/dt - - m;|,Qsin От - (Пф - oj^sinfl/. где Шдф = m,|.Q = АфЕой — максимальное отклонение частоты от значения не- сущей и0, т.е, девиация чистоты при фазовой модуляции. Пример 2,6 ФМ-си гнил амплитудой Гм= 5 В и несущей частотой/, = 200 МГц модул н- родан однотональным гармоническим колебни нем с частотой 1:— 20 кГц при ин- дексе модуляции т - 10. Запишем выражение для ФМ-сигнала, определим пре- делы, в которых изменяется частота, и рассчитаем ширину спектра. Решение Вос юльзовавшись формулой (2.91), запишем ФМ-сигпал: um(0 _ 5cos[4n 10 V + 10cos(i?t- 10*01 Определим девиацию циклической частоты: /, - оэд/(2тг> - BtF- 0,2 МГц. Значит, при фазовой модуляции мгновенная частота изменяется в пределах /mi. - 1 СЮ - 0,2 - 99,8 МГц; 7milJi- 100 + 0,2 - 100,2 МГц. Ширина спектра ФМ-сигнала । с формуле (2.88) будет Л/ш - ДшфМ/(2я} - 2(m + 1)F- 440 кГц В сводной табл. 2.2 показано, как связаны с модулирующим однотональ ним сигналом различные характеристики модулированного колебания при фазовой и частотной модуляции. Наглядное представление о законах изме- нения частоты и фазы при частотной и фазовой однотоналъной модуляции дают графические построения колебаний, представленные на рис. 2.40. Выражения (2.84), (2.91) и приведенные на рис. 2.40 соответствующие нм графики показывают, что при однотоналъной угловой модуляции невоз- можно определить, является ли сигнал частотно- или фазомодулирован- ным. Разл и1 [ ия между этим и достаточ но бл изким и видам 11 угловой модуля - цни проявляются только при изменении значений амплитуды Е|:. или Таблицу. 2.2 Сигналы с угловой модуляцией Закон модуляции е(£) = Е„сой£1г Вид сигнала ЧМ ФМ Аналитическая запись = {/„coa^f + ffl„sin42T) u^(i) = r„co5(<V -i- w.pcostir) II вменение частоты <в(Г) - toM + «„cosQt a(£) " Wjj - tn^inOf Девиация частоты Щ,1Ч “ ^-/ll - V/1 Индекс модуляции иц - = *,|Ди Отклонение фазы (t) - (f) - ШфСОйПг Ш
ft/c. 2 JO. Графики изменения частоты и фазы при угловой однотональной модуляции; а, б — модулирующий сигнал; в, г - частота; й, <• - фаза час то ты Q модулирующего сигнала <?(£). При частотной модуляции Д?бц«- 1ЩЯ частоты u?,4 пропорциональна амплитуде Ео и нс ;ншши от частоты Q модулирующего < и гиа. in. Индекс же модуляции тц прямо пропорционален амплитуде Еа и обратно пропорционален частоте Q .MO/iy.iiipyiiHucro сигна- ла. При фазовой модуляции деннация частоты изменяется пропорцио- нально амплитуде и частоте модулирующего сигнала. Индекс модуляции и: _ 11 pi; । н :-| । . - и : 1.1 и н ; im 11 птуде /; и о записи i in чистоты Q моду. inpynntie- ю сигнала. Из проведенного анализа данных сигналик можно сделать два вывода; • если пропустить модулирующий сигнал через идед'Ииное дифференци- рующее устройство, а затем подать его на ЧАСТОТНЫЙ модулятор, 110.1 УЧИТСЯ сигнал с фазовой модуляцией (верхняя ветвь на рис. 2.11); • если ироиучтить модулирующий сигнал через идеальный интегратор и подать его на фазовый модул Я nip, получим ЧМ-сигнал (нижняя песнь из рис. 2.41). Рис. 2.41. Формирование сигналов с угловой модуляцией Спектр ЧМ- и ФМ-сягналов при произвольном модулирующем сигна- ле, В отличие от амплитудной модуляции, при угловой модуляции полу- чить простое аналитическое выражение для спектра сигнала при произ- вольном модулирующем сигнале не удается. Даже попытка рассмотреть спектр при дну кто пильном модул и руки цем сигнале делает аналитические выкладки намного сложнее, чем при одного! i алыi ой модуляции. Сравнение помехоустойчивости систем связи с амплитудной и угловой модуляцией. Следует отметить, что сигналы с угловой модуляцией имеют ряд важных преимуществ перед амплитудно-модулированными колебани- ями. 183
1. ПОСКОЛЬКУ I[pi1 уГ.:|<)1!<Н1 МОДУЛЯЦИИ iiMIL'IlllYJLii МОДУЛИ])! WiEIIIIJX KlbUJ- баннн не несет в себе никакой информации и не требуется ее постоянства, то практически любые вредные нелинейные изменения амплитуды сигнала в процессе связи нс приводят к заметному искажению передаваемого сооб- щения. 2. Постоянство амплитуды сигнала при угловой модуляции позволяет полностью использовать энергетические возможное ги генератора несущей частоты, который работает при неизменной средней мощности колебаний. Отмеченное справедливо лишь при следу кинем условии: амплитуда по- лезного Сигнала на входе частотного детектора должна значительно превы- шать среднее квадратическое значение напряжения шума. В противном случае неизбежен так называемый пороговый эффект и может оказаться, что ЧМ-система при малом отношении енгнал/шум на входе будет функ ।[.попировать хуже, чем аналогичная система с AM-сигналами. Также для реализации отмеченных преимуществ ЧМ- и ФМ-колебаннй необходимо отводить конкретному сигналу слишком широкую полосу частот, значи- тельно 11|)СН]з11113Н)1Цуг111 ширину СН€К1']1Л модул и ру 1<)[Ц['Й функции, Отметим, что широко] юл ос и ость ЧМ- и ФМ-с Игнатов приводит к го- раздо большей помехоустойчивости связи по сравнению с AM-сигналами. Однако именно широкополосность обусловливает их применимость ;|ля целей радиосвязи лишь на очень высоких частотах в диапазонах метро- вых н более коротких волн. Выбор несущих частит при аналоговой модуляции. Полоса пропуска- ния канала связи не должна существенно превосходить ширину спектра г11i ii;1.1.1. чтобы передаче информации не меша.in г:г:а.ihi др\ rax p;i [ин- станций и внутренние и внешние помехи. I! частности, при использовании амплитудной модуляции несущая частота более чем в 10 раз должна пре- восходить максимальную частоту Qv передаваемого сигнала. Это обуслов- лено необходимостью: * легкого разделения несущей и модулирующих частот при детектиро- вании AM-сигналов в приемнике; * 'Ll. IT II I I I i:’ 111 I.-. .: I! 11 I h i. I ’ i; 1.1 1 I If in :: 11111 : E ' M i 11 Mu . lipOHI ИНЫХ! колебанием, для излучения всех ее спектральных госта иля ео и [их антенной. 1 ||||Г)Ы p:i. :м I С” I Г1 . 1X1 iJ.H I an; mt Г ЧНГ.Н1 p;'..JI(i|;: 1Ц.1 ГС. П.НЫ'-, Il 'I г. -I 111 I. Т.'- Oll ПЫХ станций it диапазонах с заданным отношением максимальной v н минимальной, несущих частот, требуется увеличивать несущие часто- ты излучения. Пример 1.7 Ширина спектра АМ-снгвала Д/Г,, _ А/ М<1 _ AQhil /(2) - У кГц, а отношение несущих частот/..- 10, Определим, сколько радиостанций может одно- временно работать в заданной полосе частот. Решение При/...= 30 кГц в этом диапазоне можно разместить г _ / 9f •г шах J min J nun _ л „ w------------—-— *= 30 пади остан ЦП ii. АО/<2я> А/,^ При/опй, = 300 кГц можно разместить уже 300 радиостанций. 1В4
2.4.3. Сигналы с линейной чьспткнс модуляцией Сигналы с ннутриимпульсной частотной модуляцией относятся к осо- бому классу модулированных сигнален, широко применяющихся в систе- мах связи, измерительной технике и других областях. Они привлекли вни- мание специалистов прежде всего в связи с поисками способов сжатия импульсных сигналов. Эти сигналы отличаются от обычных радиоимпуль- сов (отрезков несущего колебания) тем, что их высокочастотное заполне- ние имеет переменную частоту. Чаще всего используется внутри импульс- ная частотная модуляция с линейным законом изменения мгновенной часто гы во времени. Принцип создания сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). При модуляции частоты несущего колебания но негармоническому закону определение спектра сигнала резко усложняется. Проведем анализ радио- импульса с огибающей прямоугол i.Eioii формы, у которого частота несущей линейно нарастает от начала импульса к его концу (рис. 2.42). Конкретизи- руя математическую модель сигнала с переменной частотой заполнения, предположим, что его длительность равна тн. причем середине импульса со- ответствует точка £ - 0, а мгновенная частота изменяется по линейному за- кону (рис. 2.42, я) ц>(() = о>,., + <я. (2.92) Здесь — несущая частота смодулированного сигнала ы„(Г) - - 6^003(00^ + %); параметр а [с ] характеризует скорость изменения часто- ты модулированного колебания. Рыс, 2,42, Радиоимпульс с ЛЧМ; а — графические представление сигнала; б — закон изменения частоты За время, равное длительности импульса, девиация частоты (рис. 2.42, (5): — 2л/д — пги. (2.93) Для упрощения анализа примем ср,, = 0, поскольку наличие чтого сдвига несущественно. Тогда интегрирование соотношения (2.92) даст мгновен- ную (полную) фазу сигнала в любой момент времени по длительности им- пульса: у(£) - iDji + 0^/2. 185
Итак, импульСОМ С лин^ин^й чпст(итн>ц мцдулмци^й (ЛЧМ-СШмОлОм) на- зовем сигнал, описываемый следующими соотношениями; о, 2 tJ. |'|М (О f . <хХ2) COS ill)/ Ч------- t * 2 ) (2.94) Отметим очень полезное свойство Л ЧМ-еигналов, Пусть некоторое эле- кгрон ш н’ у сг| )i ш г rut) < try 11 к и ' г ел яег времен)1 у и г на; it1 рж к у н х с щи н с н j 11 и a. i а, величина которой зависит от частоты колебаний. Если с ростом частоты время задержки уменьшается, то при определенных условиях, подавая на вход устройства импульс достаточно большой длительности, можно «сжать» его во времени. Этот эффект обусловлен тем, что на выходе уст- ройства задержки, как низкочастотные составляющие, относящиеся к нача- .iy нм пульс я, i;ik и более выси ко частотны с, находящиеся неги Конне, будут ноя вл яты ;я одно вре мен но. Спектр ЛЧМ-импульса прямоугольной формы. Используя формулу (2.94) и формулу Эйлера, получаем спектральную плотность ЛЧМ-импульса: 5({н) = £/„ j cos(o3llf + arJ/2)c‘?’,f/f = -г.,/2 , . т„/2 , -... 2 = 1 и Г 1 " Г (295) Первый интеграл в правой части формулы (2.95) описывает спектраль- ную плотность с резко выраженным максимумом в области положитель- ных частот, близких к й)(|. Второй ни rt'ipii.’i гонг lie re th ver всплеску спект- ральной плотности вблизи частоты со = ф„. Интерес представляет случай, когда эффект перекрытия спектров, концентрирующихся при положитель- ных и отрицательных частотах, невелик и близок к нулю. Это связано с тем, что девиация частоты <вд за время длительности импульса очень мала но сравнению с несущей частотой ©да т.е. в>д = ат„ ш(|. Поэтому н формуле (2,95) достаточно нычислить только первый интег- рал, дающий спектральную плотность при частотах ю>0. Аргумент экспо- ненциальной функции в первом слагаемом формулы (2.95) целесообразно дополнить до полного квадрата разности. Тогда после несложных преобра- зований получим Пс]К‘идем от переменной I К новому аргументу .г, выполнив замену 1В6
После вычислений тем ГГ r~ .ni? ^(ej)=_yJ—₽ j e 2 tfv, (2.96) 2 it а _Х[ где пределы интегрирования ат . ъ ат , ъ —л- + (и-й||) -^--(<»-0)||) <L_ . У,- 2 X- 2 -j па -j'tw. Для дальнейшего анализа ЛЧМ-сигнала используем интегралы Френеля С(.г)-1S(x) = j’sin^y-tty. {2,98) 1Iодставив формулы (2.97) и (2.98) и соотношение (2.96), получим окон- чательное выражение для спектральной плотности ЛЧМ-сигналэ U |V /" п'|>! 20 ГОД)иОД)+ЛОД)+ОД2))| {2.99) 1 \ а Представим с с ют но пн? ни с (2,99) u 1нн{азат1.'.1Ы1ой форме; 5(ш)- |5(<в)И|,<“’. где 1ЭД I" J-КОД >+ОД))- + (ОД,) + ОД,)/1 (2.100) 2 ч о амплитудный спектр (модуль спектральной плотности); (и - о),,)’ ОД",) + 5(А',) ч'(“) ‘ + + а";*ЗД,) + С№) фазовый спектр. Составляющую фазового спектра ЛЧМ-сигнала ОД,) * 5(XJ T/w) arctgC(X+ называют (хтаточны,ч фазовым членом. ЛЧМ-сигналы с большой базой. Характер частотной зависимости мо- дуля и фазы с:1Н‘кг]);ин>1ки1 HjIOthOCth ЛЧМ-имнулка Связан С числом называемым .’1'1 М-сигнала. Эти особенности ЛЧМ-снгналов связаны со следующим. Во-первых, амплитудный спектр практически постоянен в пределах полосы частот (-О)1/2г(йг/2) с цент]юм к гоякро)(|. (jmi HE’iri iiyинцие Пмфнки амплитудно- го спектра н остаточного фазового члена, построенные по вышеприведен- ным формулам, показаны на рис. 2.43. 137
= 250 Рис. 2.43. Спектральная плотность ЛЧМ-еигнала при различных значениях базы: а — амплитудный спектр; d — частотная зависимость остат<1чнаго фазовогг) члена Во-вторых, осцилляции амплитудного спектра существенно уменьша- ются с увеличением базы ЛЧМ-сигнала вплоть до теоретически полного исчезновения. Анализ формулы (2.100) показывает, что на частоте спектра си|} Таким образом, амплитудным спектр ЛЧМ-снгаала с большой базой 0> 0, а>< . " 2 1^Ю = " «л+<’Т’ ч 2а 1 2 «ох^+у. Энергетический спектр такого сигнала, определяемый согласно форму- ле (2.60) как U’» = |5(®)|2 = £f;2, (2.101) также постоянен в полосе частот (и„ са /2. ц, + и/2) и равен нулю вне се. Пример 2.в Определим параметры спектра прямоугольного Л ЧМ-импульса, у которого ill l.li: I \ ,ы i ' 1(1 И. ... 111 г. ,|>. || i;-1 II L. J ... 11.1. ц.Н. 1Г.Ц1-.;, iH i;ir ОТа тч ;. I Li Й I < модулированного сигнала= 5 ГГц, девиация частоты несущей ) = 50 МГц. Решение База анализируемого Л ЧМ-ситнала Я -/дт, _ 50-101'-5 -10 6 - 250. Из секи ношения (2.93) вычисляем скорость нарастания частоты ЛЧМ-импулъса а = = 2п4/т, = 6.28-50-107(5- W ') = 6.28- 10п с \ Согласно формуле (2.101) энер- 1СВ
гетический спектр W'/co) = 3,14 160/(12,56- Ю11) = 2,5- 10 1 . Поскольку база сигнала достаточно велика, то амплитудный и энергетический спектры |кк п сло- жены в полосе частот от/в - Д/2 - 4,975 ГГц до/в + /л/2 -5,025 ГГп. АвтикорреляцнО)....я функция (АКФ) ЛЧМ-сигнала. Для упрощения анализа положим, что база ЛЧМ-сигнала достаточно велика, и поэтому его энергетический спектр равномерен и расположен лнпн. и полосе (<bd - со.,/2, + юд/2) вокруг несущей частоты <о(|, Тогда согласно выражению (2.61) АКФ ЛЧМ-сигнала равна В.1ЧМ(г)-—j Н;1(й)е'1ОТ^ю_ —- j cosйтс/о- Ьг,;т„ юп(ат„-г/2) zoirvn - ——------—------cos Й„ т. (2.102) 2 ar„t/2 График нормированной АКФ ЛЧМ-импульса /?(г) - В ]1|Д|(т)/7).Г1Л|(0) показан на рис, 3,44, Формула (2,102) устанавливает важ- ное свойство ЛЧМ-сигнала — ширина главного лепестка огибающей АКФ об- ратно пропорциональна девиации час- тоты несущейЭто объясняется тем, что огибающая АКФ ЛЧМ-снгнала пер- вый раз обращается и нуль при сдви- ге сигнала относительно копии на т -2п(ат,|)- I//.. Применяемые в специ- альных системах связи ЛЧМ-сигналы характеризуются значительной девиаци- ей частоты, поэтому главный лепесток Рис. 2.44. График нормированной АКФ ЛЧМ-импульса АКФ получается узким, что полезно. Од- нако с точки зрения корреляционных свойств ЛЧМ-сигналам присущ недостаток — высота двух первых симмет- ричных боковых лепестков АКФ велика (0,212 от высоты центрального), 11ри значительном шумах приемника это может при вести к ошибочному опре- делению временного положения импульса. Если же энергетические потери в устройстве сжатия малы, то амплитуда выходного сигнала может превы- сить уровень шумов. 2.5. Сигналы с импульсной и цифровой модуляцией 2.5.1. Импульсная модуляция При импульсной модуляции в качестве несущего колебания (поднесуще- го) используют различные периодические импульсные последовательнос- ти, один нз парамет|х>в которого изменяют по закону передаваемого сооб- щения (рис. 2.45). Теоретической основой импульсной модуляции служит теорема Ко- тельникова (теорема отсчетов) (см гл. 6). Упрощенно теорему можно ин- терпретировать так: произвольный сиге [ал a(t), спектр которого ограничен 189
Рис. 2.45. Импульсная модуляция: а — периодическая последовательность исходных импульсов; б — модулирующий сигнал; в - Al IМ; / - ШИМ; — ФИМ; е ’ЧИМ: ж - И КМ некоторой верхнй частотой F*, может быть передан своими отсчетами (или полностью восстановлен по последовательности своих отсчетных значе- Einii), следующим и с интервалом Заметим, что в теории связи при представлении импульсных, дискрет- ных и цифровых сигналов часто период обозначают как Лг - Т. Как правило, достаточно большие временные интервалы между импуль- сами используют для передачи полезных импульсов от других источников сообщений, т.е. для осуществления много канальной передачи сигналов с временным разделением (уплотнением) каналов. Положим, что в качест- ве поднесущего колебания в системе связи с импульсной модуляцией сиг- налов используется периодическая последовательность прямоугольных импульсов с амплитудой Un, длительностью тг и периодом повторения Г (рис. 2.45, а у, соответственно частота следования импульсов несущей FE - - 1/Т. Для наглядности математических выкладок выберем в качестве мо- дулирующего сигнала (отражающего передаваемое сообщение) гармониче- ское колебание <?(г) - f^cosflt (причем Д - 1/Т0), у которого для упрощения принята начальная фаза 0п - 90° (рис. 2.45, б). [ 1мпульсную модуляцию сигналов в зависимости от выбора изменяемо- го параме.ра модулируемой последовательности импульсов делят на такие виды: 190
' алш.чптудио-импульсную (АИМ; pulse amplitude modulftlittn - - РЛМ), когда j io закону передаваемого сообщения изменяется амплитуда импуль- сов исходной последовательности (рис. 2.45, е); • широтно-импуянсную (ШИМ;риЬе-Лга^оп modulation — PDM), когда по закону передаваемого сообщения изменяется длительность (ширина) импульсов исходной последовательности (рн с. 2.45, г); * фазоимпульсную (ФИМ; pulse-position modulation PPM), пли время- импульсную (ВИМ), когда по закону передаваемою сообщения изменяется временное положение импульсов в последователь пости (рис. 2.45. rJ); ФИМ отличается от ВИМ методом синхронизации — при ФИМ сдвиг фа- зы HMiiy.iiHTi производят Относите.н.но условной фазы, а не относительно Синхронизирующего импульса; частотно-импульсную (ЧИМ; pulse-frequency modulation — PFM), ког- да по закону передаваемою сообщения изменяется частота следования им- пульсов (рис. 2.45, е); импульсно-кодовую (ИКМ; pulse code modulation — PCM) вид дис- кретной модуляции (цифровой манипуляции keying.), когда аналоговый сигнал часто кодируется сериями импульсов и превращается в цифровой код — последовательность стандартных импульсов (единиц) и пауз (ну- лей), имеющих одинаковую длительность. Этот вид наиболее широко при- меняется it современных системах связи. Этот вид модуляции, упрощенно рассмотренный в параграфе 2,1. пред- ставлен на рис. 2.45, ж. Часто в одном периоде t интервалы между соседни- ми кодовыми посылками отсутствуют (см. рис. 2.2, /). Используют два ме- тода преобразования аналоговых сигналов в цифровые — ИКМ и дельта-модуляцию (ДМ). При ИКМ преобразования аналоговою сигна- ла и цифровой осуществляют в два этапа. [ 1а первом этапе сигнал модули- рует по амплитуде последовательность импульсов, следующих с частотой более 2F, где Fn — верхняя частота спектра сигнала. 11а втором этапе диапа- зон возможных уровней сигнала разбивается на 2Л интервалов и определя- в киком из ни ч |:н;-.. о: : i иимздпiсч урозгиь каждого оз мо.щ. iii|h>b;i:i- ных нону, ii.iiji l> pr.iy с лдый импульс реобрииущ гя в н з'Г:) ю бинарную кодовую комбинацию, соответствующую этому интервалу. Частота следования импульсов несущей /’, в импульсных системах связи онределяется максималыюй частогой первичного сипгала (здесь - модул[i- рующего - 41): > 241 Действительно, в импульсных системах связи передаются лишь дискретные отсчеты первичною сигнала е(г). Соглас но тео- реме Котельникова частота дискретизации Fx > 241 Поэтому частоту дискре- тизации Ft и можно выбрать н качестве частоты следования импульсов FB, Амилитудно-импульсная модуляции. Оценим характеристики им- tiyjlhCll0-MO/LyjlMpGH3lllllJX КО.'И'О.ИЩ Й, ДЛЯ Ч1ГГО рДССМОТрИМ II [’СЛОЖНЫЙ AHM-rin iUL'i и определим eno fiitucrp при моду, ищи и йогу щей периодической последовательности импульсов гармоническим колебанием e(t) = Eflcos41f, I [роцедуру получения АИМ-сигнала илнм(£) удобно рассматривать как не- посредственное умножение непрерывного передаваемого сигнала и(г) на вспомогательную последовательность у(с) прямоугольных видеоимпуль- сов единичной амплитуды (см. далее) “лим<0 = м(0//(0- 191
Представим послед* iiunr л ьнОСть прямоугольных пмнудъсин имею- щих амплитуду (I длител ЬИОГТЬ Т I! II ЕД ЕН ОД повторения 7", тр ИС11НПМ (!Г]1И- ческим рядом Фурье (2.17). Внсдем it соотношение (2.68) н КЙчеСтрй несу- щего К'О. К'блНИЯ М (/) = (/COS©,./ 11бо6|Ц1Т1НуЮ функцию «(/), О1111('ЫГ!;111]|ЦУН1 1нн'.,1С!Д[|и;1телЕ1НО(.,ть прямоугольных hmiiv.ilooei. Тогда АИМ-СиглйЛ МОЖНО записать в ьиде иАИМ(0-(1 +Afcosnt)H(0. (2.103) В /ЦЕННОМ ГОО l EIIHIKiEllIH ПараМЕГГр jW = /U — КОЖ|К,>I I ЦИГН Г (г.1 VOII Н!1 ) МОДУЛЯЦИИ НрЯМОУГОЛЬЕЕЬЕХ ИМПуЛЬСОК. По.'11'ГгН!.:Ц|Я значение [функции t((f) нт формулы (2.17) Е9 соотношение (2.1 ()3). шиле пс'г.нежпых преобразова- ний ДЛЯ А ИМ-ciniiri.'ia получим ОО «АИМ(0 " G + McosQi)/% + (1 + McosOf) - <РГ.) - я-1 - Zjj + /1(|ЛУе:ой!1г + X H„cos(»»e>ti - Ф.,) + л- 22, AM - AM I X -д-совКжв, + Q)£ фн)]4 X -^-cosKfflOj ЯХ qQ], (2.104) г 1 - п -1 - Из соотношения (2.104) следует, что при однотоналъной амплитудно- импульсной модуляции последовательности импульсов спектр АИМ-сиг- нала содержит постоянную составляющую Ао, гармонику ЛаМ частоты П модулирующего колебания и высшие гармонические составляющие Д, час- тоты следования импульсов несущей лг около каждой из которых симмет- рично hoiiapi9о расположены боковые составляющие с частотами гасп, + £1 и ии, - Q (рис. 2.46). «,-П «|' + i! Рис. 2.46г Спектр сигнала при амплнтудчо-импульсной модуляции Основные розновидноепш ЛИМ-сигпа.юв. Сигналы с амплитудно-им- пульсной модуляцией подразделяются на два основных вида: сигнал перво- го рола — АИМ-I и сигнал второго рода — ЛИМ-11 (рис. 2.47). Пусть имеется последовательность импульсов с амплитудой бгп, дли- тельностьют,, и периодом следования Т(рис. 2.47, о), явечяющаяся импульс- ной несущей. Мгновенное значение амплитуды импульсов АИМ-I зависит от мгно- венного значения модулирующего колебания e(i) (рис. 2.47, и), а амплиту- да импульсов сигнала АИМ-II определяется только значением модулирую- щего колебания в тактовых точках (рис. 2.47, я). Тактовые моменты могут со в [[а дать с началом импульса, любой точкой его середины или концом. По- 182
Рис. 2.47. Формирование ЛИМ-сшна.юн; а — им I Еулы~1:ая и^ущйя; 6 — А И М-1; я — АИМ-П этому при АИМ-П несущая последовательность импульсов характеризует- ся еще одним параметром — положением импульсов относительно такто- вые точек. Различие .между модулированными сигналами видов ДИМ-I и АИМ-П оказывается существенным, если длительность несущих импульсов ти срав- нима с периодом их следования Т. Для оценки эффективности методов ДИМ для передачи сообщений по каналу связи необходимо знать полосу частот используемых сигналов. Сигналы типа ЛИМ-1 при простейшем, однотональном модулирующем сигнале, определяемом формулой (2.104), на практике в системах передачи информации используются лишь для настройки. Проанализируем спектр импульсного сигнала с АИМ-I (на положитель- ных частотах) при некотором узкополосном модулирующем колебании (рис. 2.48). Пусть функция e(t) — модулирующий сигнал сложной фирмы, имеющий вещественную спектральную плотность £(и>>. расположенную Рис. 2-48. Спектры сигналив с ЛИМ: я — передаваемого; б — ЛИМ-1; в — АИМ-П 193
в некоторой полосе частот 0 С со С Qm (рис. 2.48, в). В этом случае аналити- ческое выражение для спектра получаемого АИМ-сигнала вида (2.104) можно записать и обобщенной форме (оно приводится в специальной лите- ратуре, однако его нетрудно вывести студентам самостоятельно): Я«)дим I — E(<d) + X 6,|{™])Е((У - ч(0|> . (2.105) где ('„(ли ) дискретные значения спектра одиночного элемента иссушен Для прямоугольного импульса с амплитудой (/„ н длительностью т„ спектр sin((UT/2) мт., '2 (2.106) Из формул (2.105) и (2.106) следует, что спектр сигнала А И М-I с несу- щей в виде последовательности прямоугольных импульсов содержит с точ- ностью до постоянного множителя т^/Т спектр модулирующего сигнала с(/) и бег кипуч ши.1 множеств» боковых [Hi.ror сигнала около каждой гармо- ники несущей (рис. 2.48, б). При произвольной форме импульсов несущей ы(г) сигнал АИМ-П «(Олимп- S е(пГ)1ф - нГ), (2.107) я- -« где е(п7) — амплитуда передаваемого сигнала (отсчета) в тактовой точке г - пГ; M#(t) одиночный элемент (импульс) импульсной несущей ы(£). Импульсную несущую можно представить суммой оо 0(0 - £ У„(/ - пТ). При определении спектра сигнала АИМ-11 воспользуемся соотношени- ем (2.107), которое называют импульсной сверткой сигналов (функций) во времени. В то же время н;+ маге маги к н также нанес г но. что гнергке во вре- мени функции н0(£) п последовательности отсчетов первичного сигнала {е(,?Г)} - е,(7) в частотной области соответствует произведен нс их спектров, т.е. 5<ш>лпм-[|" где Ед(<в) — спектр последовательности отсчетов первичного сигнала е(г). Спектр JJ осле; ювателы нити отппчон первичного сигнала получим из спектра АИМ-1 путем предельного перехода (при длительности отсчета тн> 0 и его амплитуды [•(, -*<»), когда площадь каждого импульса т„(7,, - I. Для прямоугольных импульсов спектр последовательности отсчетов пер- вичного сигнала . I £ sin<™.V2) £.(<в)= Inn ——- L ----т,— 1 t..-0 Т „1ш»|Т,/2 Щи - na>j) + Е(ю + ™,)| = 1 » ------V | Цш ны,) + Е(е» + Hfi>j)|. Г л - ™ 194
Объединяя бг0(<»1) 11 н Щюи ^ведение, получим спектр АИМ-П (рис, 2.48, в) с несущей в виде последовательности прямоугольных импульсов т„ srn(<OT„/2)f « > Я'^аим-п = .,,-----7»— £(<'*) + s £(®±flttli) (2.108) Анализ формулы (2.108) показывает, что спектр АИМ-ll, так ие как и АИМ-1 (см. рис. 2.48, би а), состоит из cnocrpaSftti) модулирующего первич- ного сигнала e(t) и бесчисленного множества его боковых полос около каж- дой гармоники импульсной несущей Однако в отличисог АИМ-1 здесь перед суммой стоит частотно-зависимый множитель |я!п<оэт|1/2>|/(<ити/2), описывающий спектр отдельного элемента импульсной несущей. Это гово- рите наличии Ямилитуд! ю-чагтитных искажений нсек Спектральных состав- ляющих. включая По существу при АИМ-П имеет место аппроксима- ция непрерывной линии передаваемого аналогового сигнала ступенчатой, поэтому и появляются амплитудно-частотные искажения. Из рассмотре- ния спектральной диаграммы АИМ-П очевидно, что степень амплитудно- частотных искажений определяется тн. При tM -> 0 амплитудно-частотные искажения уменьшаются и сигнал АИМ-П практически совпадает с сигна- лом АИМ-1. Но л то же время доля мощности полезной составляющей н спектре сигнала как АИМ-1, так и АИМ-П при т —- 0 снижается, что, ос- те iixhhi;. i i,;i.ii,iii:ic ся па nnxicxoTniiLiiiurnHoc i ii ирин .'м.п '.ш и сигнала и дальности действия систем передачи информации. В случаях, когда требуется передать сообщение набольшее расстояние, сигналами с импульсной модуляцией модулируют, в свою очередь, высоко- частотное колебание несущей частоты. Полученные импульсы затем излу- чаются антенной. Заметим, что помехоустойчивость АНМ-сигналов явля- ется очень низкой, поскольку любая помеха, изменяющая амплитуду импульса, искажает форму' огибающей импульсной последовательности, а следовательно, и сам сигнал. Широтно-импульсная модуляция, С тючки зрения помехоустойчивости систем связи из импульс но-моду лированных сигналов более эффективны сигналы с ШИМ. Так же как и АИМ, ШИМ бывает первого и второго ро- да. При ШИМ-1 длительность импульсов определяется значениями моду- лирующего сигнала в моменты возникновения переднего фронта и среза (заднего фронта) импульса, а при ШИМ-11 — в тактовых точках. Если дли- тельность нс:моду .1 ирона иного импульса т;1«ДГ, iu разница между IIJHM-1 н I ПИМ-11 незначительна. Поэтому ШИМ классифицируют как одно- н двустороннюю модуляцию. При односторонней ШИМ изменяется вре- менное положение переднего или заднего фронта импульса, а при двусто- ронней — сдвигаются и фронт, и срез импульса. Чаще применяют односто- роннюю ШИМ I (ОШИМ-I), при которой длительность импульса при модуляции сигналом е(£) - E;icosQf T»-T„ * A^cosQt, гдет,,,— среднее значение длительности импульса при ШИМ;ттая — макси- мальное отклонение фронта импульса. Фазонмпульсная модуляция. Более помехоустойчивым видом им- пульсной модуляции является фазоимпульсная, или время импульсная, мо- 135
дуляция. Этот ниц модуляции представляет собой раю юниц ееогть времен- ной ИМПУЛЬСНОЙ модуляции, при которой ИХЕЕГУЛЬСЫ Периодический ПОСЛе- допа гельногти, сохраняя спою форм у и фиксирован н ую длительно*. ть, сме- няются ею времени относительно пестоных точек. При флип им пул ье'нон МОДУЛЯЦИИ ДЛИТЩЕШНЮТЬ И Mliyj|]ii\l ПОСТОЯННА И В отсутствие МОДУЛЯЦИИ может быть уже, чем itpn ШИМ. Поэтому средняя мощность сигнала при ФИМ меньше, чем при ШИМ. Следонателыю, и срЕ'дняя мощность пере- датчиков при ФИМ меньше, чем при ШИМ. П|лг одинзкоеюй средней мощ- ности Сигнала ФИМ поинОЛЯСТ унСл ичить амплитуды импульсов и гем са- мым повысить на входе приемника отношение сигЕгад/Епум, Поскольку i|ри 11 [НМ передаются И короткие импульсы, то по. кив пропускания тракта пе- редач о оказывается более штрипсой, чем при передаче иMiiy/iiictm с ФИМ. 2,5,2. Квадратурная модуляция Квадратур ну jo (yuaflniture) модуляцию осуществляют путем передачи . :т кги а. ли in.io. ной и гой а,: полент iac от тух mej. у. i ।и: н;; сиг- налов, несущие колебания ко торых opiorcni.Liibiiiii ei квадратурны (их чигне- ты равны, а фазы сдвинуты на ВО0, что и поясняет смысл слова «квадратур- ный»). Временные диаграммы, пожня ющш1 квадратурную модуляциio, приведены на рис. 2.^9. Ринге oeiI.iii iipuaiiajjHBiiронаны случаи, когда амилтуда и начальная t]ja- за несущего гармон еече’Скоетз колебания подвергались модуляции по от- дельности. Однако гг. in нимечоетъ зги два параметра одновремен но, го мож- но будет ш’ргдлвать грану дна сигнала, .модулированных по амплитуде fZ (/) о фазе y(t)- НММ(О = Гв(С)о»[юю« + чКО]. (2.109) Такую модуляцию следовало бы назвать просто амплитудно-фазовой н, очевидно, аналоговой. Однако два модулирующих сигнала модулируют со- вершенно разные параметры несущего колебания — амплитуду и фазу. Рис 2,49 нремеи и 1.'п,‘ днафаммы сиетшлов с квадратурной модуляцией; и — исходный синусный; 6- исходный косинусный; в - квадратурный ciiLiyciLLiil; t — квадратурный косинусный; <i - квадратурный амплнтуднп-ыодулнрованныЙ 196
М()жн[> ('делать ситуацию более симметричной, Слегка iipei»6jiaa<»iian форму представления рассматриваемого сигнала. Для этого воспользуемся триго- нометрической формулой представления косинуса суммы двух углов и преобразуем [заражение (2.109) К виду Цщ(£) - ЦХОс™ W - q,(t)smiKOsin(2.110) Теперь исходный сигнал представлен суммой двух Л М-колебаний. Их несущие единичной амплитуды — cos-w^ и sin cuot — сдвинуты по фазе на 90’ друг относительно друга, а амплитудными функциями являются соответст- венно Lr„(r)cos y(f) и I/H(f)si 11^(01 преобразованные и два битовых потока с уровнями I и 0 (часто используются уровни - 1 ii - 1). Косинусная состав- ляющая сигнала называется синфазной, а синусная — квадратурной. Пре- образуем функции в импульсную форму с единичной амплитудой и дли- тельностью 2Т, где Т — интервал, в несколько раз больший, чем То = Зк/ги^ (см, рис. 2.49). Обозначим AM-колебания в формуле (2.110) в виде с,.(/) = - t/B(t)cosxp(t) и рч(г) - t//f)sin чЛО (рис. 2.49, а, б) и используем их как новую пару модулирующих сигналов, тогда к,1и.,(Г) - £,(х)созй/ + eXi)sina>/“ a,(f) + u,(Г). (2.11 I) Из формулы (2.11 I) следует, что полученный сигнал можно рассматри- вать как сумму квадратурных колебаний; косинусного аг(0 - e,.(r)cos tuor - = УцСоачХОсовы^ и синусного ?<(f) = еХ0-чп1и,/ = (/„sin^(Osiny^, каждое из которых модулировано только но амплитуде (рис. 2.49, в, г). Нетрудно также заметить, что закон амплитудной модуляции для коси- нусного колебания определяется «медленной* функцией сО8у(Г), а синус- ного ^медленной» функцией sin у (Г). Но уже было установлено, что для определения спектра ЛМ-колебания достаточно сдвинуть ла частоту со9 спектр огибающей амплитуд передаваемого сообщения. Следовательно, для нахождения спектра колебания иц11и(г), определяемого формулой (2.1 10), необходимо найти спектры функций cos*p(f) и sin^r), т.с. спектры огибающих квадратурных колебаний. Перенос этих спектров на частоту можно затем осуществить, как и при обычной амплитудной модуляции. Как очевидно, модуляция является сложной: в моменты Т и 2Г (и далее перио- дически) могут возникать (и возникают) как скачки амплитуд, гак и скач- ки фаз. Это позволяет увеличить количество кодируемых в единицу време- ни бит и при этом существенно повысить помехоустойчивость их передачи по каналу связи. 11 настоящее время число кодируемых информационных бит на одном бодовом интервале может достигать К или 9. Упрощенно квадратурную модуляцию можно трактовать следующим об- разом, Передаваемый сигнал разделяют на два независимых битовых пото- ка — ₽,(Г) и e,(f)' Сигнал e,(f) с уровнями 1 и 0 модулирует косинусоидаль- ное несущее колебание, а сигнал e/t) — синусоидальное несущее колебание. Затем дна модулированных колебания (по сущее гну это н АМ- сигпал, и ФМ-сигпал) суммируются, образуя единое квадратурпо-модулн- рованное колебание. Такое представление исходного сигнала (рис. 2.49, 3) называют квадратурным, а способ модуляции — квадратурной модуляцией или, точнее, квадратурной амплитудной модуляцией (КАМ; quadrature a mpHtude modulation - ). I ’еэульп i py ющий c 11 п 1ал i <азы вают двух i юл ос - 197
ным сигналом с подавлением несущей (fltfuhle-xideband suppn^xxed-rarn^r — DSB-SC), поскольку полог"! частот вдвое болыче полосы немодугл и рова г г ио- го сигнала и не содержит выделенной несущей. Получение различных видов модуляции с помощью квадратурного мо- дулятора обеспечивают подачей на его входы биполярных Al I.M-си гладов ec(t) и e\(f)> квантованных на разное число уровней и симметричных отно- сительно нуля. В вырожденном случае^ т.е. когда на один из входов подан пуль напряжения, а на другой двоичная последовательность с относи- тельными уровнями - I, работает только один канал и модулятор превра- щается из квадратурного в балансный. На выходе формируется одномер- ный ФМ-сигнал с изменением фазы на ISO", переносящий I бит/символ. При подаче двоичных АИМ-сигналов в оба канала модулятора по каждому из каналов передастся 1 бит/енмнол, а обтай скорость передачи составля- ет 2 би г/гимнол. В результате образуется сигнал ФМ-7!, формально ОТНОСЯ- ЩИЙСЯ к широкому классу квадратурной амплитудно-фазовой модуляции (КАФМ), Поэтому квадратурную модуляцию называют еще и многопози- ционной амплитудно-фазовой манипуляцией (АФМ; amplitude phase key- ing — АРК). 11 наконец, данный вид модуляции можно считать двумерной амплитудной манипуляцией, откуда еще одно название квадратурная амп- литудная манипуляция ( КАМ и; quadrature amplitude shift keying Q45K). KAM-сигнал (2.111) можно представить как «щ, (О" «клм(О “ -Д (') + ? <0 cos I - arctfi ^7 + 71 sigQ (< <0 -1) IA ®,(0 2 J Спектр сигнала с квадратурной модуляцией. Для квадратурной моду- ляции получить спектральную функцию не составляет труда. Пос кильку КАМ-сигнал ыМ;1Л(0 = «кам (О представляет собой сумму двух AM-сигналов (2.111), то его можно записать как So . ‘-'кам (ш) - «и+<t,j_ <До) | +у|[^Д(й+й^-j/ta-fflij}], где 5,(а») и \(о) соответствен по спектральные плотности косинусной w,(r) и синусной ii/f) составляющих квадратурно-модулированного коле- бания. [ 1так, спектры модулирующих сигналов при КАМ «раздваиваются» и сме- щаются в окрестности несущей частоты ±<ьи. Если спектры модулирующих сигналов tir(f) и иДО занимают одну н ту же полосу частот, то они будут пе- рекрываться и после одни га к область несущей частоты. Однако при ;-ггом спектр, соотнегс TEsyioi пип <’н । lyciiiiii несущей, донол нигел ill io умножается на коэффициент ±/ I Гменио эта ипе|»ация дает возможность разделить квадра- турные составляющие модулированного колебания при приеме К AM-с пе- нал а. Ширина спектра квадратурно-модулированного колебания, равная J/Г, в два раза меньше ширины спектра обычного аналогового AM-сигнала, модулированного единым сигналом сообщения со скоростью передачи 1 /Т. Детектирование модулирующих сигналов ес(£) и технически обес- печивается с помощью синхронных детекторов, так как квадратурные несу- щие ортогональны, г.-с. их среднее (по времени) произведение равно нулю. В синхронном детекторе квадратур ко-модул ирова иное колебание умножа- 198
I чс 'я 11 а кос IJ । з yt< н i дД-Ч ы i hi i i г 11 г 11 ал, i1 pC3y;i h ТЙТ i1 p | м г ЮЖС пня у С] Н‘Дi1Я гггя во времени, В результате подавляется квадратурная компонента сигнала г(/) и выделяется огибающая синфазной составляющей сигнала ес(С). Ана- логичным образом выделяется и огибающая квадратурной компоненты мо- дулированного колебания сигнала e^(t). Квадратурный модулятор является универсальным устройством, которое может быть использовано для полу- чения сигнала линейно-модулированной несущей с двумя боковыми поло- сами, включая фазовую и амплитудно-фазовую модуляции несущей, Квадратурную модуляцию используют в системах алалонового цветного телевидения АТ5Си РАЛ при модуляции цветовой поднесущей двумя цне- торазвостными сигналами. Кроме того, в большинстве систем цифрового телевидения и демодуляторы сигналов также строят по квадратурным схе- мам. В известных современных системах цифрового цветного телевидения и телетидепия высокой четкости применяют многоуровневую амплитудную модуляцию с частично подавленной нижней боковой полосой (8-, 16-VSB), четырех!юаиционную квадратурную фазовую модуляцию (см. далее) и ква- дратурную амплитудно-фазовую модуляцию (16-,64-, 256-QIjW), 2.5.3, Цифровая МОДУЛЯЦИЯ Главная идея цифровой модуляции состоит в том, что каждому возмож- ному значению передаваемого символа ставятся в соответствие некоторые параметры аналогового несущего колебания. Способ цифровой или им- пульсной модул я цн и, Koi.ui параметры несущего колебания меняются скачкообразно, называют манипуляцией. При низкочастотной модуляции (baseband modulation) эти сигналы имеют вид импульсов заданной формы. При цифровой модуляции используют чаще всего дискретные последова- тельности двоичных символов двоичных кодов. Простейшим линейным кодом, широко применяемым на практике, является код NRZ (non return to zero} — невоэвралщющийся н пуль код. Существуют две разновидности этого иода — униполярный и биполярный. В униполярном NRZ-коде логической <ЛННИЦ1СОО1 НС It! :Ц. Г1 11|)ЯМО\ I i). ..,111:1 II . 1ЬС НО. JLhll IC. ILIJli'l I h l. I;l|!:j:i III. алогическому нулю — нулевое hili i ряжен не (пауза). В биполярном jVRZ-коде логической единице соответствует прямоугольный импульс положитель- ной полярности, а логическому нулю - прямоугольный импульс отрица- тельной полярности. Положительное или отрицательное напряжение на выходе кодера сохраняется неизменным и течение длительности символа, что и определяет термин «невознращающийся в нуль» код. Длительное! ь импульсов и пауз в NRZ-кодах равна длительности одного символа (бита) информации. Наиболее известны следующие виды цифровой модуляции: * амплитудная манипуляция (AMл; иначе ИКМ-АМ, или цифровая амплитуд!гая модуляция — ПAM; amplitude xhift keying — ASK)', * фазовая манипуляция (ФМн; иначе ИКМ-ФМ, или цифровая фазо- вая модуляция - I [ФМ; phase shift keying — PSK); • квадратурная амплитудная манипуляция; частотная манипуляция (ЧМн; иначе ИКМ-ЧМ, или цифровая час- тотная модуляция ЦЧМ; frequency shift keying FSK) и се разновид- ность — минимальная частотная манипуляция (МЧМн). 199
Типичный подход [ipn передаче дискреи ной поегн'дова телвпости симво- лов СОСТОИТ в Следующем, Каждому нз возможных иначен и ii си мнила сопо- ставляется некоторый набор параметров несущего колебания, Эти параме- тры ноддерживаннтя постоянными в течение1 интерна. ia Т, г.е. до при хода следующего символа. Фактически :->то <к+начаст преобразование нОСЛСДОнй- IC. 1Ы1ОС I II 11 Hl. I !< I Н ( VI К: на I'Ll 11 t ill 113 I I ( I l ИГ I Ii I. I 1,301 III 11 11 CM К Vi O'l I H I- погтояшнhi |]нте|иiij. i huh 11: s^)=f(ni).kT^t<(k+l)T. Здесь / — некото]1ая функции преобразования. Полученный сигнал х (/) далее используют в качестве модулирующего сигнала обычным способом. Для передачи цифрового первичного сигнала по каналу связи лримгня- :oi |:;=з. hi 111 ыс i htvi цис. J’at суп i [: им гармони iri l<u- нту.щч' ко. i6a--лг При цифровой модуляции Закодированный первичный ана. юсовый сигнал fi(Jt), представляющий собой ПОСЛСДОВЯТеЛЬНОСТЪ КОДОВЫХ СИМВОЛОВ = {<!„ } (rt = О, 1,2, ... — порядковый нош1]) символа; к е {0.tn} — номер позиции кода; tn — основание кода, т.е, число различных его алементов)н преобразу- ется в । юслсдонаге.тынн'тъ зле мен го л (посылок) сигнала {цДХ)} путем вда- дейг1нпя кодовых символон на высокочастотное несущее колебание I 1о<рГДС1 1ЮМ МИД II .III 1 i;.r I :: 1.1 Г. II! '|i I..;: II Cl VII CIO Ki I. К ОН • .31 В ..М IIV. I LCT Рис. 2.50. Фирмы сигналов при разных видах цифровой модуляции двоичным кодом; б - унипалярЕый код б — биполярный коде - 11 КМ - AM: г ИКМ-ЧМ; <> - ИКМ-ФМ; е - ОФМ гоо
Б<‘Д(!|||1| фор.МЬ! Циф[Ю1ЮГО Сигнала (б[Т(] И S3 bl Bit [О'Г Kfinn.-thlltrlAi СШ-НОММ) ИрН двоичном коде для различных видов дискретной u.iu цифровой модуляции, При этом для наглядности использованы униполярный и биполярный JVftZ-коды, показанные на рис, 2.50, а, 6соответственно. Битовому символу при ИКМ-АМ (рис. 2,50, в) соответствует передача несущего колеба- ния в течение времени ти (длительность посылки), символу *0» - отсутст- вие колебания (пауза) на таком же временном интервале. В случае применения ИКМ-ЧМ (рис. 2,50, г) передача несущего колеба- ния с частотой/и соответствует символу *!►, а передача колебания с часто- той /, — символу При двоичной ИКМ-ФМ (рис. 2.50, й) фала несущей частоты меняется на ISO1 при каждом переходе символов от *1» к -*0> и от *0* к <1>. I г мо.и мах гнетем i i hi hi t ii:nipz.Me|:. г M,LI>IJ) приме iaioi дис- кретную систему сигналов с относительной фазовой (дифференциальной; фаэоразностной) манипуляцией (ОФМ; differential phase shift keying - DPSK), часто называемой многопозиционной амплитудно-фазовой мани- пуляцией (рис, 2,50, е), Цифровую модуляцию следует рассматривать как преобразование по- следовательности кодовых символов 0, I, ..., т - I. в определенные отрезки гармонического высокочастотного сигнала wf(0, ГДС f “ 0. I, тп - номер передаваемого символа. 11а практике вид гармонического высокочастотного сигнала w:(r) выбирают таким, чтобы удовлетворить требованиям, предъяв- ляемым ь гиг юмс гня.ш (н часinori и. ио ио. ни г ч.ц i ш и гкорогI и переда- чи информации), и чтобы сигналы могли быть выделены из поздейству ю- ।них помех. Цифровой Сигнал е„(О при гим./ю/гоиитс'- ! ьпс>п передаче епм1ю..нin сооб- щения е„, следующих с равным тактовым интервалом At, опишем выраже- нием Сх':- ф,(0= 1>(* £„>О’ (2.112) г-11 гдеф. — момент появления n-го символа; (t, ef*) — форма элементарного им- пульсного сигнала, представленного символом e'f. Цифровой сигнал (2.112) обрадуется как линейная комбинация элементов г'(г). Причем этот сигнал часто является изохронным, т.е, отдель- ные КОДОНЫ!’ СИМВОЛЫ I Kill и.чян к ГС я г равным тактовым интервалом AZ. R ЭТОМ случае ф = пЫ и ец(0-Е^(£-^)- (2413) п-0 Как правило, к системах передачи дискретных сообщений используются двоичные коды (пг = 2 ) и поэтому Л1 = т„ (см. рис. 2.50, й). Цифровая амплитудная манипуляция. При модуляции скачками меня- ется амплитуда несущего колебания, и они является частным случаем ква- дратурной манипуляции. Положим, что передается сигнал, отражаемый числом М символов возможных используемых уровней амплитудной мани- пуляции. Символы, подлежащие передаче, должны принимать целочислен- ные значения, лежащие в диапазоне 0, .... М I. Значению 0 соответствует амплитуда, равная -1, а значению М - 1 — амплитуда, равная 1. Остальные 201
уровни равномерно распределены между ;-л ими лвЕчениями. Меняться мо- ЖСТ Не ТОЛЬКО аМ]1,'|нтудрг но II <[i,i;j;i несyiцепи колебвЕГИЯ (отриг1ате.н>НЕ>1е амплитудные множители соответствуют изменению фазы на 180’). [Li рис. 2,51 предоr;in..it‘ii;i временная диаграмма сигнала с Н-поницион- НОЙ АМи, содержащего весь еивмнжный набор символов. В середине диа- граммы Е5ндсн скичок фяиы, а фазы ПОСЫЛОК в норной н htojhih половинах -рафика сигнала, имеющих одинаковые амплитуды, отличаются на 180°, Pur. 2.5'1 Диаграмма сигнала с Я-плзициачпой амплитудной манипуляцией Канальный сигнал при ЦАМ с учетом формул (2.67) и (2.113) при <р0 “ 0 имеет вид ^цаи(0 " + *лм S №'(' - COS<*></, (2.114) V Л”0 ) где Е7„ и r i„ - соответственно амплитуда и частота несущего колебания. Спектр АМн-сигнала содержит несущую и две боковые полосы, каждая из которых повторяет спектр первичного сигнала е,(Т). Если несущая но давлена и в формуле (2.114) (/, - 0. то имеем сигнал с цифровой балансной алтлтнуопой модуляцией (ЦБAM), или ЦАМ без несущей. В ЭТОМ случае элементарные сигналы o(t) имеют вид прямоугольных импульсов, но они могут быть и другой формы, выбираемой из соображения ограниченности полосы частот капала связи. Демодуляция АМн-сигнала может выполняться теми же методами, что и при квадратурной мниииулы।щи {путем умножения на несущее колеба- ние). Однако наличие всего лишь двух возможных значений начальной фа- зы несущей, отличающихся друг от друга на 180*, делает возможной реали- зацию автоматической подстройки начальной фазы с помощью петли и фазовой ивтопобстройки частоты (ФА114; phase -lucked ioop — PLL). J(iir^poinLii фЕниншя .манипуляция (ЦФМ). При ней скачкообразно ме- няется фаза несущего колебания. Канальный сигнал при ЦФМ можно за- писать в виде “цфм(0 " “в*+ *фм S «АО I ~ V л-1> J 202
- (7аии 4фМ X лА/) cos \ г 'J } ( 1X1 \ - ^sin АФМ V e^v(r - nit) sin t^f. (2.115) pi о J Ha практике цифровую фазовую манипуляцию применяют при неболь- шом числе возможных значений начальной фазы — как правило, 2,4 или Я. Кроме того, при приеме Сигнала сложно определить абеп.попшпе значение начальной фазы; значительно проще измерить отпоси/пельхый фазовый сдвиг между двумя соседними сименкншн. Поэтому обычно используется фазоразгюстиая манипуляция (часто - относительная фазовая манипуля- ция, дифференциальная фазовая манипуляция). При ОФМ в зависимости от значения информационного элемента изме- няется только фаза сигнала при неизменных амплитуде и частоте, при этом фазу канального сигнала отсчитывают не от некоторого эталона, а от фазы предыдущего элемента. Например. символ <0* передается отрезком сину- соиды с начальной фазой предшествующего элемента сигнала, а символ si* — таким же отрезком с начальной фазой, отличающейся от начальной фазы предшествующего элемента на 180е. При ОФМ передача сообщения начинается с посылки одного не несущего передаваемой информации эле- мента, который С. lyjKJIT ЛИШЬ ОНОрНЫМ (ЭТИЛОННЫМ) ClIJ'lianOM для сравне- ния фазы последующего элемента (см. рис. 2.50, г)). В циф^юном тедевндсн ин для передачи по спутниковым трактам и в на- земном телевещании при тяжелых условиях приема используется двукрат- ная, или чегпырехфазная ОФМ (ОФМ-4; другое название — квадратурная относительная фазовая модуляция — \<.ОФ\\,уна(1га1те phase shiff keying — QPSK; кстати, ОФМ-4 совпадает с КАМ-4). Модуляция QPSK обеспечива- ет необходимый компромисс между скоростью передачи информации и по- мехоустойчивостью системы п применяется как самостоятельно, так и в комбинациях с другими методами. Этот вид модуляции основал на пе- редаче четырех сигналов, каждый из которых песет информацию о 2 битах исходной двоичной последовательности. Обычно используется два набора фаз: в зависимости от значения дибита (00, 01. 10 или 11) фаза сигнала мо- жет измениться па 0, 90, 180, 270 или 45, 135, 225, 315’ соответственно. При этом если число кодируемых бит более трех (восемь позиций поворо- та фазы), резко снижается помехоустойчивость ОФМ. Мё Жен м вольные искажения. Несмотря пято что амплитуды гармони- ческих составляющих п спектре’ поглсдона re.iiiHiM’rn прямоугольных им- пульсов уменьшаются с ростом частоты (ем. рис, 2.15, с/), этот спад все же донольво медленный. Наиболее неприятным результатом искажений им- пульсов в каналах связи является то, что в приемнике переходный процесс от одного импульса не завершается к моменту прихода следующего (рис. 2.52). Импульсы на выходе канала накладываются друг па друга, ис- кажаясь еще больше. Прямоугольный импульс (рис. 2.52, а). поданный на вход канала связи в результате искажений, обусловленных ограниченностью полосы пропус- кания и межсимвольной интерференцией, может иметь на выходе амплиту- ду меньше, чем на входе, что уменьшает отсчетное значение, повышает чув- гоз
Рис. 2J2. Импульсы tips: меже) im вольной интерференции: а- игрслгтги'иие; б - искаженные; в — восстановленные ствителъность помехам и увеличивает вероятность ошибки в определении отсчетною уровня (рис. 2.52, б). Длительность выходного импульса, оцени- ваемая на уровне половины максимального значения, тзкже отклоняется от заданной величины (такие отклонения приводят к краевым искажениям принятого импульса, показанным па рис. 2.52, в, — см. сдвиги восстанов- ленного импульса на интервалы A?t и АГа). Взаимные искажения, возникающие в результате наложения импульсов, iijiheii каю г интерференцией (МСИ). При Приеме таких сиг- налов необходимо не только восстанавливать их форму, но и определять их временбе положение. Чтобы искажения были малозаметны, граничное зна- чение полосы должно быть во много раз больше значения, обратного дли- тельности импульса. Однако реальные каналы имеют конечную полосу, что приводит ес искажениям. Для оценки влияния межсимвольных искажений при приеме последова- ть. и, постен двоичных Символов прибегают к л/гечкоеой диаграмме, — из<пора- жению, полученному при измерении отклика приемника на заданные сиг- налы. Глазковая диаграмма аналог осциллограммы демодул и рованного аналогового сигнала, построенной при дли le.iiiEioi-Tii прямою хода разверт- ки, равной символьному такту Т (-Т/2, Т/2), и бесконечном «времени по- слесвечения экрана». В точках оптимальной дискретизации линии на диа- грамме образуют узкие пучки, свободное пространство между которыми по форме напоминает раскрытый г-ia.t. ] 1ри зтом на B(!|miK;i..iiiHi>ie пластины осциллографа подается отклик приемника на последовательность импуль- сов, а на горизонтальные пилообразное напряжение символьной частоты (горизонтальная временная развертка осциллографа устанавливается рав- ной дли тел мюсти символа). В течение каждою сигнальною такта Т очеред- ной сигнал накладывается на семейство кривых в интервале (0, 7). Построение глазковой диаграммы показано на рис. 2.53, где она получе- :i 111:11 . ini: 11 и к id Гл 111:1.1 м ;п ।перс, irir. Ныхатной : hi ill i (рис. j., к) t чi- отЕктствуст длинной последовательности двоичных символов, передавае- мых с п ериодом Т. Фикси рун сиги: ел ы i та ш ггервал в ( Т/2, 7/2 ) при раз е е ых , но кратных периоду смещениях принятого сигнала (рис. 2.53, б, в) и скла- дывЕ1Я их, получают временную диаграмму (рис. 2.53. г), Увеличивая длину последовательности символов, составленной из разных сочетаний двоич- ных знаков. получают полную i лязковую диаграмму (рис. 2.53, й). 201
-Г-Т 2 О Т/2 Т б 2Т ЗГ 4Г t в -Т/2 О Т/2 Рис. 2.5'1. Построение гланкоиой диаграммы: а - принятые импульсы; б, в- смешения при пятых импульсов; / - временная диаграмма елплценных отрезкой 111 jii 11 ят ых Сигналов; r) i -'tHH нснз; ш диаграмма Тик КЗК СИМВОЛЫ поступают От Случаи НИИ) ИСТОЧНИКИ, ОНИ MOiy]' быТЪ как положительными, так и отрицательными, и отображение послесвече- ния луча иск+ноляет видеть изображение, имеющее форму глаза. Ширин;) открытия глаза у к; 13 ы влет время, когда должна быть проведена выборка сигня. ia. Оптимальное время взятия выборки соответствует максимально раскрытому глазу, что дает максимальную защиту ОТ помех. Если не ис- пользуется фильтрация, то отклик систем!ii диет идеальные прямоугольные нмнульСы. Тогда диаграмма будет выглядеть уже не как глаз, а как прямоугольник, , I . i/iiartni у.i тис гей ;.мн :iуд. : 160.fl ia icrin.ii'i АГ. i я шг си м; рой nr ;.i.ге- ния, вызнанного межей мнолыюй интерференцией. /1иапаЗОН рДЗНОСТеЙ времен перехода через нули, обозначенный Д7", определяет краевые искаже- ния относительно исходной ширины (-Г/2, 772). Глазковую диа1рамму используют Д-ТЯ качественной оценки степени меже им вольной интерференции, а также измерения d.№uninitjpti (явления паразитной фазовой модуляции ирипимземого [_игнила) в цифровых сне ге- мах иерелзчи информации. ^Открытые!» глаза указывают на качество сис- £05
геми гпяэи. 1 Io мс]Ц' закрыт и я е л а за ш’жсимЕюльпая iJEiTepE|iepeiti[nn увели- чивается. Искажения формы принятых импульсов, зафиксированные глазковой диаграммой, зависят как от граничного значения полосы частот канала свя- зи и формы его частотной характеристики, так и от скорости передачи дан- ных. Чем уже полоса и чем выннл’корпеть передачи, тем бол wire искажения импульса. Какие искажения признать допустимыми и какую установить скорость передачи данных, зависит от требований, предъявляемых к систе- ме связи, и ci уровня помех в канале связи. Если, например, i р и пять, что для минимизации искажений полоса канала связи должна быть в 10 раз больше частоты первого нуля в амплитудном спектре прямоугольного им- пульса (см. рис, 2,15, о), то за время Т н полосе А/ = 10/Гбудет передан один двоичный символ. Можно ввести удельную скорость передачи данных, т.е. скорость передачи данных в расчете на единицу полосы частот. В приведен- ном примерен - 1/Т- 0,1 (бит/с)/ Гц. что является весьма малым значени- ем. Однако прямое увеличение частоты может привести к значительным межеим nt»л ь11 ы м нскаже>шям. Обычно в системах связи с ЦФМ в качестве кодовых символов использу- ются прямоугольные импульсы сХ/) единичной амплитуды и длительности At = т|Г Поэтому вид канального сигнала, схемная реализация модулятора п детектора существенно упрощаются. В этом случае отсутствует межсим- вольная интерференция, и вместо формулы (2.115) приел —I имеем Ццфы(£) = бг,|СО5(Д0)со5(о(/ 17и( У. nAt) I sin(A0)cos (2,116) U-u ) где A0 - АФМ — разность фаз для двух позиций кода (при этом девиация фа- зы несущего колебания Аи = ЛЙ/2). Спектральный состав J 1ФМ-сигнала (2.116) не отличается от I LAM-сиг- нал а (2.114). Отметим, что если разность фаз при двухпозиционном коде ДО - п (используются разнополярные сигналы), несущая в спектре ЦФМ- сигнала исчезает, когда символы с различными значениями появляются с равной вероятностью. Цифровая частотная манипуляция. При час то гной манипуляции каж- дому возможному значению передаваемого символа сопоставляется своя частота несущей, т.е. в течение любого символьного интервала передается гармоническое колебание с частотой, соответствую щей текущему символу. При этом возможны различные способы, различающиеся выбором началь- ной фаЗЫ О ГДеЛЬНЫХ СИНуСОИДаЛЬНЕ11.Х IIOt liJ. EOK. I Тервый способ характеризуется тем, что все посылки, соответствующие одному закону изменения передаваемого символа, имеют одинаковую на- чальную фазу, а значит, являются идентичными. При этом можно заранее сформировать наборы отсчетов для всех возможных дискретных символов. Тогда осуществление частотной манипуляции сводится к последователь- ной передаче заранее рассчитанных последовательностей ото чего к, соот- ветствующих поступающим символам. Однако если используемые частоты манипуляции не кратны символьной скорости, сформированный ЧМ[[-сиг- нал буде г содержать разрывы па стыках символов. Вследствие я иго спектр сигнала будет иметь всплески на частотах, кратных символьной скорости. 206
Второй способ ('нянин с непрерывной генерацией колебаний нСвХЯ? ЧАС- ТОТ, формируемых синтезатором частот, и подключением этих сигналов в соответствии с поступающими символами. При этом в течение каждого сом вольного интервала ие|)едается гармоническое колебание г определен- ной частотой, соответствующей текущему символу. При данном способе возможно появление скачков на стыках символов. В ревулы ате этого воз- никает паразит пая амплитудная модуляция сигнала, и его пик-фактор (tn - ношение пиковой п средней мощностей сигнала) увеличивается. С целью сужения спектра и сохранения минимального пик-фактора канального сиг- нала необходимо обеспечить непрерывность изменения мгновенной фазы г п гн ал л. Так как начальные фазы посылок меняются отсимвола к сим полу, скачки возникают не па всех с тыках, и их величина оказывается различной. В результате возникающие всплески спектра менее заметны. При трет ьем с j j orc >б(1L н иту 11 ;i к) । j 11 и’ с i [ гн; lt ь н ы е с i i м nt )л ы у 11 pa hjj я к it ско- ростью линейного нарастания текущей фазы, а ' IМи-сигнал формируется путем вычисления косинуса этой фазы. При этом фазовая фл нкцпя, азнэ- 'ин, и сам ЧМп-сигиа. i окапываю;c:i непрерывными (не .i.tic.-oimiMii скач- ков). Данный способ сложнее в реализации, но он дает наиболее компакт- ный спектр сигнала и находит наибольшее применение и системах связи. ЧМн-сигнал, полученный таким образом, называется част&тно-минитрчм- роеан ttbi M сигналом с непрерывной фазой (continuous phase frequency shaft keying — CPFSK). Частотная манипуляция весьма помехоустойчива, поскольку помехи те- лефоги юго Kaiiza.ia искажают в ос hi mi it >м амплитуду, ;i не частоту СИГНаЛа, Однако при ЧМп иеэкономЕЮ расходуется ресурс полосы частот телефон- ного канала. Поэтому нит вид модуляции применяется в низкоскоростных протоколах, позволяющих осуществлять связь по каналам с низким отно- шен нем сигнал/шум, Цифровую частотную модуляцию с непрерывной фазой обозначим ЦЧМНФ, В системах 114МИФ с кодовыми символами в виде прямоуголь- ных ими ульсов единичной высоты м гнове f i f г; i я ч< к тс j га tin1 шла ме i1 я? те я но закону ®(0 " 4 *чм Z " «АО. в-0 а канальный сигнал «цчмнфСО = t'„cos| и,/ + йчм S - "АО - Фо ' (2.117) где ф0 — начальная фаза несущего колебания; £,IW — девиация частоты. Представим пинал (2.117) наотЩ‘:<кевремени |0,AJ| при передачеi-й по- зиции символа в виде 4(0 “ С7„со8(а/ + J, (2.118) где _ ш„ + 2п/ДГ — частота, соответствующая i-й позиции символа; tplh t — начальная фаза к данному (А-му) тактовому интервалу; k = 1, 2, 3. В теории связи доказано, что при осуществлении ЦЧМНФ ортогональ- ность сигналов (2.118) обеспечивается тогда, когда частотный сдвио 207
Дй I (2119> Онтнмя. 1Ы1ЫС ты н формировании ЦЧМ-chj на. ia ; к и г и i;i jo гея при периоде следования модулирующих сигналов Д/ = т„, гдетн — длитель- ность бита или символа (элементарного сигнала прямоугольного им- пульса или паузы). [ [ифроиую двухпошщипнную (бинарную) ЧМн с непрерывной фазой н частотным сдвигом (2.119) называют частотной .манипуляцией с мини- мальным (частотным) сдвигом (ММС; minimum shift keying — MS К). Нетрудно нокичать, ЧТО ИНДЕКС чаСТОТТЮ'Й модуляции н ЭтОи цифровой Системе связи ffl = 0,5. Определим данный индекс как отношение девиации частоты £чм - Д<а/2 к частоте модулирующего сиге [ала Q - п/ДГ: Лг„. ДгьЛт т = —=--------= Д/Д£. (2.120) Q 2тг С учетом соотношений (2.119) и (2,120) получаем, что индекс модуля- ции для сигналов с ММС действительно равен 0,5. Отсутствие скачков фа- зы в системах с ЦЧМНФ благоприятно сказывается па форме амплитудно- го спектра передаваемого сигнала. При т - 0,5 амплитудный спектр ЦЧМII Ф-ги гнала весьма узок и сосредоточен вблизи частоты несущей, оД- пако при т > 1 амплитудный спектр становится более широким. Рассмотрим упрощенно принцип формирования ЦЧМ-сигналов. Для систем ЦЧМ с нидексом частотной модуляции ш -0,5 широко использует- ся кпядратурнып метод МОДУЛЯЦИИ го сдвигом модули рунпщ IX функций, Кто действие сводится к сглаживанию закона изменения фазы tp(t) при ча- стот ной манипуляции. Математически доказано, что огибающая энергети- ческоп] СлнКтрй ЦЧМ-г л гнал О в достаточно речки убывает но мере удале- ния от несущей при увеличении степени Сглаживания закона изменения фазы. Значит, можно повысить эффективное! ь ЦЧМ путем сужения рабо- чей полосы. Однако, как уже было показано, беспредельно сужать рабочую полосу ие удается - оптимальные результаты в формировании ЦЧ М-сиг- нал э достигаются при периоде следования модули дующих сигналов if = т„, При осуществлении ММС для передачи логической единицы (импуль- са) фазу несущей <р(Г) линейно увеличивают таким образом, чтобы за вре- мя длительности такта Д1 приращение фазы Дир составляло л/2; передаче же логического пуля (паузы) должно соответствовать линейное уменьшение фазы несущей на гс/2, Это наименьшее возможное изменение фазы несу- щей, распознаваемое в приемнике при данном типе модуляции, которую можно трактовать как частотно-фазовую. Злая величину изменения фазы за один такт Аф - jt/2, нетрудно рассчитать девиацию частоты &f. Учиты- вая, что Atp = 2пА/Л/, находим \J = 0,25/А/. М по гопози! (ионные сигналы. Эффективность систем передачи цифро- вых сообщений существенно повышается при использовании многопози- ционных (многоуровневых) сигналов, которые можно применять при боль- шой мощности сигнала без риска увеличить вероятность ошибки при определении значения принимаемого сигнала. Увеличение числа позиций, или у ров [[ей, позволяет увеличить удельную скорость модуляции, но лишь гоа
За Счет увеличения мощности излучаемого колебания. То же самое можно СКАЗА!'ь и о выборе к<)[>]Н'кги]»ую1Ц11х кодон, Biafiop ('игнииж и кодов янля- • н я он|1г.и "Я1<| nil'll .1 и: :oc: ;)<ii iiii! । oki :: urn |>i-k i ir;- x ''.а, (гогла- сонанных между собой кодеков и модемов). Сейчас интерес II] и (является К me ее iron он ищи ши мм си талам с АФМ, КО- ГО] пае можно [jciL'iiiaofsaiTi схемой квадратурной модуляции, В СИСТСМаХ ГНЯИН широко HCIHL'ILayiO Г МНОГОШ13НЦИО11НЫГ цифровые сигналы с АФМ (ЦАФМ), когда начальная фниа Eiecyiiicii принимает т значении, В систе- мах АФМ в течение передачи одного элемента (])аза и амплитуда принима- ют Значения, выбранные наряда гюзможных их дискретных иначений. Каж- дая комбинация значении амплитуды и фазы отображает еедиее и:-; многопоэиционных сигналов группового сигнала, Сигналы АФМ можно ||н)рмнрона'Гк, например, путем многоуровневой амплитудной ее фазовой модуляции двух квадратурных колебаний несущей частоты. При мпогоно- опционном сигнале сднигфазьЕ между сигналами ранен Фо]]мн]юна11И£ четырехпозицшншого сигнала показано на рис, 2,5'1. Па- li и (не ('д| и lx л на ни и и д: а я гн н.IX да х { г нп с ii.ihic: i, гимне»; и г I пгпеда- насмого нервичнЕ>го сигнала */,(/) (1]||С- —5ф «) определяют один ин четырех уровней, кЕггорый занимает chtee^l'i м.,(/) (риг. 2.Ы, «). Пара двоичных сим- волов 00 соотиететнует уровню 0, пара 01 — уровню 1, пара 10 — уровню 2 и пара 1 1 — уровню 3. Сигнал ы,(/) меняется н два раза ]геже, чем исходный И|(^), для его передачи греоуется в два рана мешаная полога частит, следо- нагеуплго, иг пол кто ванне четырех нозицшнш от сигнала позволяет увели- чить удеуня! у ю ско]И1сгъ передачи в дна раза. Рис. 254 Формирование четырех позиционного сигнала: а 1]ередава&м.ы.й ш^йичный сигнал; г5 ч<игыре-хлй311цнйШ1Ь1Й l iiiiiat.j Дифференциальная импульсно^кодовая модуляция. Для речевого сиг- нала более вероятны низкочастотные составляющие спектра. Это означает, что мгновенные значения дискретных отсчетов сигнала в соседних точках дискретизации с большой вероятноеп.го мало отличаются друг от друга. Благодаря этому можно довольно точно предсказывать сигнал, формируя линейную комбинацию предыдущих его значений. Эта разность преобразу- ется в цифровую форму. Остаточная ошибка предсказания оказывается ма- лой, и для ее квантования можно использовать меньшее число уровней. По- этому можно вместо кодирования и дальнейшей передачи отсчетов передавать ио тракту связи кодированные значения разности соседних от- счетов, по которым г га приемной стороне восстанавливаются значения от- счетов сигнала Такой метод передачи называют дифференциальной и.ч- £09
nipibcno-KtMftmtn'i модуляцией (Д11КМ; different ifil pulse code modulation DPC\f), Дельта-модуляция предел; шля or couiiii вариант ДИКИ, где jV[h ко- дирования разностного Сигнала ИСПОЛЬЭуСТСЯ ТОЛЬКО ОДИН СИТ, Манипуляция С чвсппнеям уилотпением и ортогональными несущими, Новым Способом МОДУЛЯЦИИ является частотное уплотнение е ортог.оналъ- иымн несущими (ЧУОН; orthogonal frequency division midt iple.ving — OFDM), Подобно квадратурной моу^'ляции, ;тг{ит Способ ИСНОЛЫЗ v 1’с ортогональные Несущие, НО в отличие от квадратурной модуляции частоты несущих не яв- ляются одинаковыми, они расположены в некотором диапазоне, отведен- ном для не] КУlii я и данных путем модуляции. Частоты несущих сооты'тстну- ют уравнению £„(0 = cos[2n(/fl + n/TT)t]; где Д — начало частотного интервала, В котором [гроиз1н1дится часто гное уплотнение; п номер нгсу- щей, находящийс я в диапазоне от С до iV — 1г тге, всего несущих .V; 7" — дли- тельность интервала несдачи одного символа, 2.5,4, Представление модулированных сигналов ам пл итудно-фазовымн дна грим ма ми Удобным 11 рел станин1 н нем модул про пан нши сигнала ян. 1ягтгя Эмпли- туд] io-фазо нам диаграмма (ги/на./ьная конструкция — signal Structurtc, СШ- нальное созвездие — signal constellation), представляемая в полярной систе- ме координат. Строят амплитудно-фазовую диаграмму следующим образом (рис. 2.55). Пусть имеются временные диаграммы импульсов г: не- сущим ксин'баннем. отражающие единичный =е,(^) = rcisfaigf-(р(|) и нуле- во ii е2 ~ eft.) = 0 передаваемые д кончи ые сим волы (рис. 2.55, я, б). Отложим но горизонтальной оси диаграммы фазу (о т 0 до 360е), а но вертикальной - Tin. и гуду передаваемого сигнала. Теперь для каждого двоичного сигнала i t I,. на параметра амплитуда н фаза. ле. две кш-рдниа Iы. Значи т. всю н в формацию о сигналах et и е2 можно отобразить соответствующими нек- горами (один из козюрых с ну. ichiii'i амплитудой) на комплектном а.кц кн- г । и ни цгч твенная и мнимая осп обо in;? сны (< пя не it i ш'н но как Ru и 1:п (рис. 2.55, d). Из геометрии известно, что при вращении комплексного вектора с час- тотой исследуемого колебания его проекция на действительную ось даст вещественный сигнал. /]дя упрощения диаграммы, особенно при отображе- нии сигналов современных многопозиционных видов модуляции, обычно изображают только конечные точки векторов, исходящих из начала коор- днна г. ; сани ini. kijli. как i:;),iiai. 10, опускаю г И :i 10м с. |уч.н можно щ peii- гн к диаграмме, на которой дна колебания вместо векго]х*н представлены Риг. 2.55. К пастроепню амплитудно-фазовой диаграммы енгпалоп: л, 6 — временное диаграммы; в — векторные диаграммы; / сигнальные точки 210
точками а. и (рис. 2,55, г), Часто опускают н саун осн Re и Im, подразуме- вая, что они проходят через центр симметрии фигуры. Такую картинку на- зывают точечной амплитудно-фазовой диаграммой модулированных сигна- лов, По существу эти точки представляются комплексными числами. Каждая точка называется сигнальной. Совокупность сигнальных точек пе- редаваемых символов и образует амплитудно-фазовую диаграмму, или сиг- нальное созвездие. Форма созвездия соответствует виду модуляции, а рас- стояния между точками характеризуют помехоустойчивость 11с еда ня яг:, (иниипо в :ii:,i|ii:6ihh i гь аж. .н. г. о oxk xo'-. i’ I i:i'i шине: I, тем выше, чем больше расстояниеdмежду ближайшими точками созвездия на комплексной плоскости. На практике используют созвездия, содержа- щие от четырех до нескольких тысяч точек. Такой способ является очень удобным при представлении и более сложных модулированных колебаний (рис. 2.56). Квадратурно-модулированное колебание, изображенное на рис. 2.49, д, представлено с помощью амплитудно-фазовой диаграммы в векторной форме па риг. 2.56, г/. Как очевидно, пространство комплекс ной плоскости используется не слишком эффективно — занят только один ква- дрант. На рис. 2.56, б показана КАМ с четырьмя одинаковыми фазовыми сдвигами ь 90“ (КАМ-4; (НАМ). вектор которой при модуляции двух ква- дратурных компонентов занимает также четыре точки, по уже в четырех квадрантах, что повышает помехоустойчивость системы модуляции. Рис. 2.56. Расположение сигнальных точек на амплитудно-фазовых диаграммах: а а квадратурной ЦФМ; б— и 4-поз пцпон noli ЦФМ; в - временное диаграммы €11 гналовР соответствующк! четырем положениям вектори 4-ЦФМ Временные диаграммы сигналов, соответствующих этим положениям вектора, показаны па рис. 2.56, в. Амплитуды сигналов равны, поэтому мо- дуляцию называют четырехпозиционной цифровой фазовой модуляцией (КФМ-4 — квадратурным КФМ-сигналом) — это и есть упоминаемая QPSK. Поскольку в каждом канале осуществляется амплитудная манипу- ляция, этот вид модуляции называют также Q45K. Скажем еще несколько слов о помехоустойчивости систем цифровой модуляции, В частности, отметим, что за счет использования двумерного характера гармонического несущего колебания квадратурная манипуляция обеспечи- вает большую помехоустойчивость (т.е. меньшую вероятность ошибки при- 211
i\m;i сим ноля), чем А Ми и ФМн. Как уже указывалось, помехоустойчивость модул иронам ных сигналов тем выше, чем больше расстояние d между оли- ж;|й|пи.ми точками созвездия ня комплексной плоскости. Сравним для при- мер;: /имсхо'. г I iiiriiu;: i ;i li?-uo.u: ,.h;iiiii,i\ ;iv :. hi rv/iiitiii, i|:<. пеной и Ki;;i,;- ратурной манипуляций (рис, 2,57), На iijhiktukt применяют раЗЛИчЕгые М1юг()111]зиц]-1()ннъ1е системы ЦФМ (пни отенн'я гся к системам с нелиней- ной Модуляцией; Системы сигналов с амплитудной модуляцней Считают . I ПЕ[<‘|1 11 1,1 ми), , [ля ПОНЫ тения качества и CIHMJPI И ГО()6|Ц(!ЕГНЙ (что 11,1ИЫ ВЛ ШТ .UUHU.MHJUJ- ,'i,i i> 'I । । r ’ii <a i к, я; « >< fit n i «">< >ч i « >;<> n; и кi <t i n ,'.Yi -in. я.n i ।; ш ,/. i ю. u) :i; i д 11 I НЕ; [пират El СИГ11а.'[11НЕ11С |НИ’.’1СДТЕНаТЕ!ЛЬНОСТИ, у которых СИГИЯЛЬНЫС! ТОЧКИ разречпеииых кодовых комбинаций находятся друг От друга па максималь- но возможном ihicctohhhh. Рис. 2.57. Сравнение помехоустойчивости рапных 1 б-полициоппых манипуляции: а — амплитудном; б — фазовой; в — квадратурной Задача согласования модулированного сигнала с радио каналом решает- ся оптимизацией формы и числа точек двумерного сигнального созвездия. В частности, сигнал (МЛ/, переносящий п бит 'символ, т.е. имеющий 2п то- чек сигнального созвездия, обладает следующим интересным свойством. Если п — целое четное число, то сигнальное созвездие представляет собой простое отображение двух независимых квадратурных каналов и обладает квадратной формой, а точки созвездия имеют координаты в виде нечетных чисел. Если л — число целое нечетное, то созвездие имеет крестообразную форму при расположении точек в узлах той же прямоугольной координат- ной сетки, что и для четного и. Минимальное относительное расстояние между любыми двумя точками созвездия равно двум. При увеличении по- рядка созвездия (числа бит на символ) ла единицу надо повышать мощ- ность передатчика на 3 дБ (в два раза). Сигналь но*кодпвыс конструкции (трс л лис-модуляция). Многопози- ционные сигналы с так называемой киотной упаковкой (например, АФМ, KAM. I (ФМ и др.) обеспечивают высокую удельную скорость передачи ин- формации за счет снижения помехоустойчивости. Б то же время примене- ние помехоустойчивого решетчатого кодирования (вид сверточного коди- рования; см. гл. 7) можс'1 повысить помехоустойчивость при определенном снижении удельной скорости. Каждый из этих способов дает выигрыш по одному показателю в обмен на ухудшение другого. [Jo важным является од- новременное повышение как помехоустойчивости, так и скорости передачи информации. Решение этой задачи возможно при использовании ансамб- лей многопозиционных сигналов совместно с помехоустойчивым кодиро- £12
наннем. Очевидно, ЧТО При ЭТОМ необходимо гфор.ш г pots; ггь ТЙКНО СИГНвЛЬ- 11Ы: । к и’, н-.’j :! ;:i 11 •. 11= I и >._• 11 . |1?|м| игу opi.r-. и miici n.xii'oiKi.xi iipcic I |j. ii:i" плотно унйкОн;иН11 (для ymchf.iih'iihji Отношения сигнал/шум, ;i :<н,1чиг, co- эдйния Hi>it:(rciui частоте roii hi [h|ic кт и в пости) и ДОСТАТОЧНО раЗНСССНЫ (чтобы обеспечить ИЫСОКУЮ Эпергтtuhpi'kvhi эффектиfiEHH'iii). Такие си шальные ПОСЛСДОвате. илюсти, построениые на бинт шнитштащнЕптых сигни. юн и помехоустойчивых кодов, называют стналъно-кодо^ыми конструкциями (СКК; signal strut; lure — SCS', в иностранной литературе СКК носят на- з ванне трехшс-мо<1уляц1ш, fyelHs coded moauietion — ГСЛ1). Выбранная комбинация .многонозициониого сигнала и помехоустойчи- вого кода позволяет повысить помехозащищенность передачи информации наряду со снижением требований котношениюсигнал/ыум в канале на 3— 6 дБ. При этом число сигнальных точек увеличивается вдвое за счет добав- ления к и |[фо]1м;:1Г[1юн н IJM битам одного избыточного, образованного путем сверточного кодирования, Расширенный таким образом блок бигов под- вергается все тон же КАМ В 11 ] и н jec се д с мо,чу । я ip 111 11 ] ю 11: s । so д i i гея декод иро на н 11 e при н ятото сигна- ла с шумами ио алгоритму Витерби (см, далее). Именно этот алгоритм за счет использования введенной избыточности и знания предыстории про- цесса приема сообщения позволяет по критерию максимального правдопо- добия niioj.HL из с in 11.1 - ,i |< । и iipi:( । о. ин ц;; r:;iiino.iri i< и' i ;ни pi:', и: :r kiii- ную точку, В качестве помехоустойчивых кодов в системах СКК используют свер- точные и каскадные коды, а многопозиционных сигналов — сигналы ФМ, АФМ и ЧМНФ, Сейчас распространены следующие виды импульсной и цифровой мо- дуляции: в спутниковой связи — QftSK, 16Q4M BPSK (binary phase-shift keying — бинарная фазовая манипуляция - скачкообразное переключение фазы си- нусоидального сигнала на л при неизменной амплитуде, при этом фазе О ставится в соответствие логический нуль, а фазе п - логическая единица); в радиорелейных линиях связи — BPSK, QPSK, 8PSK, 16Q.4 Л/, 32Q4Jtff 64QW, 12В QAM 256Q4M в кабельных линиях связи — QPSK, 16 QAM, 64Q4A/, 256QAA1; в радиотелефонии систем сотовой связи — от 16QAМ до 16384Д4А/. 2 6 Узкополосные сигналы На практике часто имеют дело с сигналами, получаемыми при одновре- менной модуляции амплитуды и частоты (или фазы) несущего колебания. Для их представления требуются но в Lie аналитические модели и формы представления. 2.6 1. Аналитическое представление узкополосных сигналов Рассмотрим особый класс сигналов с ограниченным спектром, которые возникают на выходе частотно-избирательных цепей. Считают, что сигнал имеет ограниченный спектр, если после определенного номера все коэффи- циенты ряда Фурье равны пулю, т.е. на заданном отрезке времени сигнал представляется конечной суммой ряда Фурье. При этом говорят, что 213
спектр сигнала ог]к1пичгп ч;к тогой F, где F — частота синусоиды при по- следнем ненулевом коэффициенте ряда Фурье. Одним из таких сигналов является узкополосный сигнал (процесс). Узкополосным» называются сигналы, спектральные составляющие кото- рых группируются в относительно узкой по сравнению с некоторой цент- ральной (обычно несущей) частотой со(| полосе. Как правило, можно счи- тать. что часто га щ, является опорной частотой выгнала. Упрощенно узкополосным сигнал можно предпаип ть и следующей форме: и([) - Г7(г)со$ф(г) - Е7(Г)соз(ы,/ 1 (2.121) где cj0 — опорная частота; (/(г) — изменяющаяся амплитуда, которую счита- ют амплитудной огибающей (огибающей мгновенных значений) узкопо- лосного колебания; ф(г) - го,/ 4 <p(t) - полная фаза; ф(г) - начальная фаза. В аналитическом представлении узкополосного сигнала (2.121) инфор- мация при амплитудной модуляции закладывается в огибающую U(f). а при угловой — в колебательную составляющую cos ip(t) “ Ц/ + ф(0- Если р|(0 — низкочастотный сигнал, спектр которого сосредоточен в ок- рестности нулевой частоты, то косинусоидальное колебание и, (г) - = Р|(()сояи0( при достаточно большом значении опорной частоты убудет обладать всеми необходимыми признаками узкополосного сигнала, но скольку его спектр окажется пе]>енесениым и скопцентрированным н ма- лых окрестностях точек частоты ±w(l. Узкополосным будет и синусоидаль- ный сигнал u.,(r) - ег(/)зш ш/. Наиболее адекватную аналитическую модель узкополосного сигнала можно подучить, составив с ледующую линейную комбинацию: u@) - ^(Ocosfijjt iJ„(f)si]i<o/. Входящие в эту формулу функции А „(г) и 7?„(() относятся к низкочастот- ным, поскольку их относительные изменения за период высокочастотных колебании Г =2л/(л0 достаточно малы. В теории сигналов функцию Л „(г) называют синфазной амплитудой узкополосного сигнала u(f) при заданном значении опорной час то ты а функцию /у/) — его квадратурной ампли- тудой. Представление узкополосных сигналов комплексной формой. В теории связи широко применяют комплексное описание сигналов, когда гармониче- ское колебание можно представить либо вещественной, либо мнимой частью комплексных функций. Кроме того, в различных системах связи применя- ют узкополосные сигналы, спектр которых сосредоточен в окрестное! н нс- к()го]Н1й частоты <u,j, При анализе и перных, и вторых сигналов удобно поль- зоваться понятиями комплексной огибающей, огибающей амплитуд и фазовой функции сигнала. Пусть имеется гармонический сигнал = = (2,122) где = г"°' — комплексная амплитуда; <р0 — начальная фаза. Запишем функцию (2.122) в i риголометрнческой форме: ы(0 = * ’ь) = (7„cos(w/ + ф0) + > и (<o„j + ф0). (2.123) 214
I'l;j (|н1]1му.чы (2.123) t'.ii'avrr, что гармоническое КОЛбОйНие 1^(0 = = - (р0) можно |>;it'<'Mriг]]цннгк кик действителеную ч;ц:ть ком- i i.ietccmiii функции Ы(У), НАПОМНИМ, что yCioHiio ;-гго записывается Следующим обравом: «1(0 = i;,cos(0)7 + ср,,) = Re( - ^(6^'"'^"), Аналогично ;лю же колебание можно записать в виде t*j(Z) = £7„sin(co(lt + %) = lin(i7y%'} = 1п1(^У^""). В последнем выражении берется мнимая составляющая комплексной функции. Подобное представление позволяет использовать преимущества методов теории функций комплексной переменной с последующим возвра- том к тригонометрической форме путем исключения мнимой части. Введем в рассмотрение комплексную низкочастотную функцию Ц.(0 -4И<0+А(0 (2.124) и назовем ее комплексной огибающей узкополосного сигнала. Нетрудно показать, что «(0 = 4(0cow - В„(№ ©</ = Re[ (2Л25) Комплексная огибающая, объединяя в себе информацию об амплитуде и фазе сигнала (за исключением несущей ши, которю считают известной), является обобщением понятия комплексной амплитуды. Это свойство ком- плексной огибающей, позволяющее при анализе узкополосных сигналов исключи! I. нз рассмотрения частоту <о(|, имеет важное значение. Примени- тельно к узкополосному сигналу комплексная огибающая играет ту же роль, что и комплексна