Тема 2. Первичные сигналы электросвязи

Лекция 2

Раздел 2.1. Первичные сигналы электросвязи и их характеристики

Электрический сигнал, получаемый на выходе преобразователя сообщения или соответствующего ему сигнала неэлектрической природы (рис.1.2, лекция 1), называется первичным сигналом электросвязи.

Параметр первичного сигнала “ x(t) ”, изменение величины которого однозначно отображает передаваемое сообщение, называется информационным параметром. Таким параметром, например, может быть амплитуда, частота или фаза гармонического электрического сигнала; амплитуда, длительность или фаза импульсов периодической последовательности; структура и разрядность кодовых комбинаций и др.

Первичный сигнал в структуре телекоммуникационных систем и сетей (ТКСС) является объектом транспортировки, так как он должен быть передан по каналу от передатчика к приемнику. Техника ТКСС представляет технику транспортирования сигнала, а телекоммуникационные сети – специфическую транспортную сеть. Поэтому для установления соотношений между параметрами и характеристиками первичных сигналов и свойствами каналов передачи вводят такие параметры и характеристики первичных сигналов, которые просто измерить и по которым возможно определить условия их передачи с минимальными искажениями и максимально возможной защищенностью.

Первым таким параметром является длительность первичного сигнала Т_с, определяющая интервал времени, в пределах которого сигнал существует.

Следующим параметром первичного сигнала является его средняя мощность, определяемая выражением:

,

где Т – период усреднения; если Т = 1 мин, то такая средняя мощность называется среднеминутной мощностью, если Т = 1 ч, то речь идет о среднечасовой мощности и при Т>> 1 ч говорят о долговременной средней мощности сигнала; R – сопротивление нагрузки, на которой определяется средняя мощность сигнала; U(t) – напряжение первичного сигнала.

Первичный сигнал характеризуется максимальной мощностью W_макс, под которой понимается мощность эквивалентного синусоидального сигнала с амплитудой U_m, которая превышается мгновенными значениями переменной составляющей сигнала U(t) с определенной малой вероятностью e. Для различных видов сигналов значение e принимается равным 10^-2, 10^-3 и даже 10^-5.

Средняя и максимальная мощности сигнала должны быть такими, чтобы при прохождении сигнала по каналу передачи не превышались допустимые значения, обеспечивающие неискаженную передачу сигналов для правильного воспроизведения передаваемого сообщения на приеме.

Минимальная мощность W_мин – это мощность эквивалентного синусоидального сигнала с амплитудой U_mмин, которая превышается мгновенным значением переменной составляющей сигнала U(t) с определенной вероятностью, которая обычно равна @ 0,98.

Возможный разброс мощностей первичного сигнала в конкретной точке канала характеризуется динамическим диапазоном D_c, под которым понимается отношение вида:

, дБ,

где W_макс – максимальная (пиковая) мощность и W_мин – минимальная мощность сигнала в одной и той же точке канала.

Превышение максимальной мощности сигнала средней мощности называется пик-фактором Q_c, определяемым по формуле:

, дБ.

Превышение средней мощности первичного сигнала W_ср средней мощности помехи W_п называется защищенностью, которая равна

.

Первичные сигналы электросвязи (непрерывные и дискретные) являются непериодическими функциями времени. Таким сигналам соответствует сплошной спектр, содержащий бесконечное число частотных составляющих. Однако всегда можно указать диапазон частот, в пределах которого сосредоточена основная энергия сигнала (не менее 90%) и ширина которого равна

DF_c = F_макс – F_мин,

где F_мин – минимальная частота первичного сигнала, F_макс – максимальная частота первичного сигнала. Этот диапазон еще называют эффективно передаваемой полосой частот сигнала, устанавливаемой экспериментально, исходя из требований качества передачи для конкретного вида первичных сигналов.

Произведение трех физических параметров первичного сигнала: длительности Т_с, динамического диапазона D_c и эффективно передаваемой полосы частот DF_c, т.е.

V_c = T_c × D_c×DF_c,

называется объемом первичного сигнала.

Важным параметром первичного сигнала является его потенциальный информационный объем или количество информации I_c, переносимое им в единицу времени и равное

, бит/с,

где h - коэффициент активности источника первичного сигнала (для телефонных сигналов берется равным 0,25…0,35, а для остальных – 1), DF_c – эффективно передаваемая полоса частот, Гц, W_ср – средняя мощность первичного сигнала и W_п – средняя допустимая мощность помехи.

Классификация первичных сигналов разнообразна, но наибольшее применение нашла классификация по виду передаваемых сигналов и по виду передаваемых сообщений.

Классификация по виду сигналов охватывает аналоговые, дискретные и цифровые сигналы, узкополосные и широкополосные.

Аналоговым (непрерывным) сигналом называется сигнал электросвязи, у которого величина представляющих (информационных) параметров может принимать непрерывное множество состояний. Аналоговым сигналом может быть и импульсный сигнал, если один из его параметров (амплитуда, длительность, частота следования, фаза) принимает бесчисленное множество состояний.

Дискретным называется сигнал электросвязи, у которого величина одного из представляющих параметров квантуется, т.е. имеет счетное множество состояний.

Цифровым называется сигнал электросвязи, у которого счетное множество величин одного из представляющих параметров описывается ограниченным набором кодовых комбинаций. Примерами таких сигналов являются: сигналы передачи данных и телеграфии, сигналы телеконтроля и телеуправления, телемеханики и др.

Если отношение граничных частот эффективно передаваемой полосы частот первичного сигнала F_макс / F_мин £ 2, то такие сигналы называются узкополосными, а если F_макс / F_мин >> 2, то такие сигналы называются широкополосными.

Классификация первичных сигналов по виду передаваемых сообщений охватывает телефонные (речевые) сигналы и сигналы звукового вещания, сигналы передачи данных и телеграфии, телевизионные сигналы и факсимильные сигналы, сигналы телемеханики, телеуправления и телеконтроля, являющихся частным случаем сигналов передачи данных.

Раздел 2.2. Телефонные сигналы

Для понимания сущности физических параметров речевых, а потом и телефонных сигналов, рассмотрим процесс речеобразования.

В образовании звуков речи принимают участие легкие, гортань с голосовыми связками, образующими голосовую щель, область носоглотки, язык, зубы и губы. В процессе произнесения речи человек вдыхает воздух и наполняет им легкие, которые через бронхи продувают воздух в гортань и далее через вибрирующие голосовые связки в полости рта и носа. Голосовые связки то сжимая, то открывая голосовую щель, пропускают воздух импульсами, частота следования которых называется основным тоном. Частота основного тона лежит в пределах от 50…80 Гц (очень низкий голос-бас) до 200…250 Гц (женские и детские голоса). Импульсы основного тона содержат большое число гармоник (до 40), амплитуда которых убывает с увеличением частоты со скоростью приблизительно 12 дБ на октаву. Например, амплитуда составляющей импульсов основного тона с частотой 100 Гц на 12 дБ больше амплитуды ее второй гармоники – 200 Гц, которая в, свою очередь, на 12 дБ больше соответствующей ей второй гармоники, т.е. 400 Гц, а вторая гармоника частоты 400 Гц будет на 12 Дб больше составляющей с частотой 800 Гц и т.д.

Импульсы воздуха встречают на своем пути систему резонаторов, образуемых объемами полости рта и носоглотки, положением языка, зубов и губ и изменяющихся в процессе произнесения различных звуков. Проходя через эту систему резонаторов, одни гармонические составляющие импульсной последовательности основного тона получают усиление, а другие – ослабление. Картина спектра звука (гласного), выходящего изо рта, принимает вид, изображенный на рис. 2.1, где приняты следующие обозначения: р – уровни спектральных составляющих частоты основного тона; f₀ – основного тона; 1,2,3… n – гармоники частоты основного тона.

Отметим, что частота основного тона меняется в значительных пределах при переходе от гласных звуков к согласным и наоборот.

Рис. 2.1 - Спектр сформированного звука

На рис. 2.1 ясно видны усиленные области частот, характерные для спектра конкретного звука. Эти усиленные области частот называются формантными областями или просто формантами. Звуки речи различаются друг от друга числом формант и их расположением в частотной области. Поскольку форманты значительно мощнее других составляющих, то они главным образом и воздействуют на ухо слушающего.

Разборчивость передаваемой речи зависит от того, какая часть формант доходит до уха слушающего без искажений и какая их часть исказилась или, по тем или иным причинам не была услышана. Представленный на рис. 2.1 вид спектра соответствует произнесению гласных звуков, обладающих заметной периодичностью. Многие согласные звуки непериодичны и их частотные спектры являются либо полностью сплошными, либо содержат в своем составе участки сплошного спектра, штриховая линия рис. 2.1.

Максимально в отдельных звуках замечено до 6 усиленных частотных областей. Некоторые из них никакого значения для распознавания звуков не имеют, хотя и несут в себе довольно значительную энергию. Спектральные исследования отдельных звуков русского языка отмечают наличие максимально четырех формант с условными максимумами на частотах 500 Гц (первая форманта), 1500 Гц (вторая форманта), 3500 Гц (третья форманта). Важными являются первые одна-две форманты (на оси частот) и исключение из передачи любой из них вызывает искажение передаваемого звука, превращая его в другой звук, либо вообще потерю им признаков человеческой речи. Первые три форманты звуков речи лежит в полосе частот от 300 до 3400 Гц, что и позволяет считать эту полосу частот вполне достаточной для обеспечения хорошей разборчивости передаваемой речи, сохранения естественности звучания и тембра голоса, узнаваемости говорящего. Следовательно, эффективно передаваемая полоса частот телефонного сигнала может быть принятой равной DF_Т = 0,3…3,4 кГц.

Исследованию по определению минимальной, максимальной и средней мощности телефонного сигнала с учетом характеристик микрофонов телефонных аппаратов, типов и характеристик абонентских и соединительных линий телефонных сетей, особенностей говорящих позволяют сделать следующие выводы:

- при средней активности источника телефонного сигнала h_Т = 0,25…0,35 минимальная мощность телефонного сигнала в точке нулевого относительного уровня равна W_{мин Т} = 0,1 мкВт 0;

- средняя мощность телефонного сигнала в этой же точке на интервалах активности источника равна W_срТ = 88 м кВт 0;

- максимальная мощность телефонного с вероятностью превышения e = 10^-5 в точке нулевого относительного уровня равна W_максТ = 2220 мкВт 0.

Согласно формулам (2.2 и 2.3), динамический диапазон и пик-фактор будут равны соответственно D_Т = 43 дБ (в практических расчетах принимают D_Т = 40 дБ) и Q_Т = 14 дБ, что и берется при расчетах.

Для оценки количества информации, содержащейся в телефонном сигнале, воспользуемся формулой (2.7), подставив в нее следующие значения h_Т = 0,33, DF_Т = 3400 – 300 = 3100 Гц, W_срТ = 88 мкВт 0 имощность помехи W_п = 0,1 мкВт 0 (что вполне реально), получим I_Т = 10000 бит/с.

Раздел 2.3. Сигналы звукового вещания

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

Частотный спектр сигналов вещания занимает полосу частот от 15 (звук барабана) до 20000 Гц. Однако в зависимости от требований к качеству воспроизведения эффективно передаваемая полоса частот (ЭППЧ) DF_зв, отводимая для передачи сигналов вещания, может быть значительно ограничена. Для достаточно высокого качества воспроизведения сигналов звукового вещания его ЭППЧ должна составлять 0,05…10000 Гц. Для получения безукоризненного воспроизведения программ вещания полоса частот сигнала вещания должна составлять 0,03…15000 Гц.

Значение средней мощности сигнала вещания W_ср.зв существенно зависит от интервала усреднения. В точке с нулевым относительным уровнем мощность сигнала составляет 923 мкВт 0 при усреднении за час, 2230 мкВт 0 – за минуту и 4500 мкВт 0 – за секунду. Максимальная мощность сигнала звукового вещания W_{макс.зв} в этой же точке составляет 8000 мкВт 0.

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

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

Для качественной передачи сигналов звукового вещания и их восприятия необходим динамический диапазон D_зв = 65 дБ.

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

Раздел 2.4. Факсимильные сигналы

Факсимильная связь – вид электросвязи, обеспечивающий передачу неподвижных изображений: фотографий, чертежей, текстов (в том числе и рукописных) газетных полос и др. Первичные факсимильные сигналы получаются при помощи процесса электрооптической развертки неподвижного изображения, заключающегося в преобразовании светового потока, отражаемого элементами изображения, в электрические. Упрощенная схема одной модели формирования первичного факсимильного сигнала приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2 - Структурная схема формирования и передачи факсимильного сигнала

Передаваемое изображение на листе соответствующего формата накладывается барабан передающего факсимильного аппарата, который находится на валу электрического двигателя Д. Оптическая система передающего факсимильного аппарата, состоящая из осветительного элемента – ОЭ (светодиод, лазерный диод), системы оптических линз Л₁, Л₂, создает на поверхности изображения яркое световое пятно малого диаметра, которое перемещается вдоль оси барабана. При вращении барабана световое пятно по спирали обегает барабан и, следовательно, сканирует все элементы изображения. Отраженный элементами изображения световой поток воздействует на фотоэлемент ФЭ, создавая в его цепи тем больший ток, чем светлее элемент изображения. В результате в цепи ФЭ получается пульсирующий ток i_ф (t), мгновенное значение которого определяется отражающей способностью элементов изображения. Далее ток факсимильного сигнала поступает на “Передатчик”, согласующий параметры сигнала с параметрами канала передачи и, следовательно, формирующий первичный факсимильный сигнал.

С выхода канала передачи факсимильный сигнал поступает в “Приемник” и затем на световой элемент – ОЭ (светодиод или лазерный диод) приемного факсимильного аппарата. Интенсивность светового потока ОЭ пропорциональна мгновенному значению сигнала на выходе “Приемника”. Пучок света фокусируется системой линз Л₃ и подается на барабан приемного аппарата, на котором закреплена светочувствительная бумага. Барабан приемного аппарата вращается синхронно и синфазно с барабаном передающего аппарата. Световое пятно так же, как и в передатчике, перемещается вдоль оси барабана по светочувствительной бумаге и формирует копию передаваемого изображения.

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

Гц,

где D – диаметр барабана, мм; N – число оборотов барабана в минуту, об/мин; d – диаметр светового анализирующего пятна, мм.

Международным союзом электросвязи – МСЭ рекомендованы следующие параметры факсимильных аппаратов: N = 120, 90 и 60 об/мин; диаметр барабана D = 70 мм и диаметр светового пятна d = 0,15 мм. Соответственно из (2.8) получаем f_ф = 1465 Гц для N = 120 об/мин, f_ф = 1100 Гц для N = 90 об/мин и f_ф = 732 Гц для N = 60 об/мин. При передаче газетных полос частота сигнала достигает 180…250 кГц.

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

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

Пик-фактор факсимильного сигнала Q_ф определяется из соотношения

Q_ф = 20 lg (U_макс.ф / U_ср.ф ),

где U_макс.ф и U_ср.ф – максимальное и среднеквадратическое значение напряжения факсимильного сигнала соответственно. Пик-фактор факсимильного сигнала определяется из следующих рассуждений. Предположим, что все градации яркости полутонового изображения равновероятны, т.е. появление i – ой градации р_i = 1/k, где k – количество градаций яркости, обеспечивающих заданное качество передачи. Перенумеруем в порядке возрастания уровни сигнала, соответствующие различным градациям яркости таким образом, что напряжение i –го уровня будет равно U_i = U_макс.ф / k, а среднеквадратическое значение сигнала:

.

Известно, что и поэтому .

Следовательно,

.

При k = 16 пик-фактор факсимильного сигнала будет равен Q_ф @ 4,5 дБ. Заметим, что увеличение числа градаций яркости мало влияет на рост пик-фактора. Несложно показать, что при k ® ¥ пик-фактор стремится к величине Q_макс.ф = 4,8 дБ.

Динамический диапазон факсимильных сигналов, согласно вышеприведенным рассуждениям, будет равен

.

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

I_ф = 6,64 f_ф lg k,

где число градаций для штриховых изображений равно k =2.

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

Раздел 2.5. Телевизионные сигналы

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

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

На время смены строк и кадров развертывающий луч приемной трубки должен быть погашен. Для чего на управляющий электрод трубки подается напряжение, равное напряжению видеосигнала при передаче черного поля. Передающая телевизионная камера поэтому дополняется устройствами, которые доводят напряжение сигнала во время обратного хода луча до величины, соответствующей напряжению видеосигнала при передаче черного поля. Возникающие при этом импульсы напряжения, называются гасящими импульсами.

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

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

Структурная схема формирования телевизионного сигнала приведена на рис. 2.3, где приняты следующие обозначения:

ГСР – генератор строчной развертки и ГКР – генератор кадровой развертки передающей и приемной телевизионных трубок, ГССИ – генератор строчных синхроимпульсов, ГКСР – генератор кадровых синхроимпульсов, ЗГ – задающий генератор, ГСГИ – генератор строчных гасящих импульсов, генератор кадровых гасящих импульсов, ВУ – видеоусилитель тракта передачи и тракта приема,

Рис.2. 3 - Структурная схема формирования телевизионного сигнала

Пер – передатчик телевизионных сигналов и сигналов звукового сопровождения, ЗС – оборудование формирование сигналов звукового сопровождения тракта передачи и тракта приема, КП – канал передачи, Прм – приемник телевизионных сигналов и сигналов звукового сопровождения, ССИ селектор синхроимпульсов.

Следовательно, первичный телевизионный сигнал, поступающий на вход передатчика телевизионного канала, представляет последовательность импульсов с непрерывно изменяющейся амплитудой (напряжением). Эти импульсы повторяются с частотой следования строк F_c = N_к×N_c = 25×625 = 15625 Гц, а время передачи одной строки равно 1/ F_c = Т_с =64 мкс. В промежутках между ними передаются импульсы строчной и кадровой синхронизации, имеющие постоянные амплитуды.

Ширина спектра первичного телевизионного сигнала может быть определена следующим образом. Максимальная частота спектра соответствует передаче чередующихся черных и белых квадратных элементов изображения. Вертикальный размер элементов определяется размером строки. Учитывая, что ширина кадра относится к его высоте, как 4/3, нетрудно определить число элементов М, содержащихся в одной строке: оно равно М = (4/3)× N_c². Учитывая, что в секунду передается 25 кадров (50 полукадров, состоящих поочередно из четных и нечетных строк изображения), общее число элементов, передаваемое за секунду, будет равно 25 М. Время передачи одного элемента, следовательно, будет равно t = 1/25× М =3/(4×625²×25) = 0,083 мкс. Максимальная частота спектра телевизионного сигнала будет равна F_макс = 1/2 t = 1/2× 0,083×10^-6 = 6,0 МГц Таким образом, полагая нижнюю граничную частоту спектра телевизионного равной 50 Гц (частота смены полукадров), общая ширина спектра телевизионного сигнала принимается равной 50 Гц … 6,0 МГц с учетом передачи сигналов звукового сопровождения.

Энергетический спектр телевизионного сигнала имеет дискретный характер, максимумы энергии которого сосредоточены вблизи гармоник частоты строк nF_c (n =1, 2, 3…). Однако практически вся энергия сигналов яркости сосредоточена в диапазоне от 0…1,5 МГц. Эта особенность видеосигнала используется при организации видеотелефонной связи, организуемой в полосе частот от 50 Гц до 1,2…1,5 МГц.

Защищенность сигналов яркости от помех должна быть не менее 48 дБ. Число градаций яркости телевизионного сигнала приблизительно равно k= 100, динамический диапазон видеосигнала будет равен D_ТВ = 40 дБ. Пик-фактор сигнала, как было показано при рассмотрении полутонового факсимильного сигнала, не превышает 4,8 дБ, а потенциальный информационный объем телевизионного сигнала равен I_ТВ = 6,64× 6,0×10⁶ lg 100 @ 80 Мбит/с.

Все приведенное выше справедливо для сигналов черно-белого телевидения. Сигналы цветного телевидения имеют некоторые особенности.

В основе цветного телевидения лежат следующие физические процессы:

- оптическое разложение многоцветного изображения с помощью специальных цветных светофильтров на три одноцветных изображения в основных цветах – красном (R – red), зеленом (G – green) и синем (B – blue);

- преобразование трех одноцветных изображений в передающей телевизионной трубке в соответствующие им три электрических сигнала E_R, E_G, E_B;

- передача этих трех электрических сигналов по каналу связи;

- обратное преобразование электрических сигналов изображения в специальном кинескопе (приемной телевизионной трубке) в три одноцветных оптических изображения: красного, зеленого и синего цветов. Каждый цвет характеризуется двумя параметрами: яркостью и цветностью (насыщенностью). Напомним, что в черно-белом телевидении при развертке изображения меняется только яркость освещения его отдельных элементов и передаваемый сигнал является сигналом яркости;

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

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

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

На рис. 2.4 приведен фрагмент осциллограммы одной строки полного телевизионного (ТВ) сигнала с указанием его основных параметров.

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

Рис. 2.4 - Осциллограмма одной строки полного ТВ – сигнала

Особенностью системы является то, что цветоразностные сигналы передаются в частотном спектре яркостного сигнала на вспомогательных цветовых поднесущих методом частотной модуляции. Поскольку модулировать по частоте поднесущую одновременно двумя сигналами невозможно, то в системе SECAM сигналы передаются поочередно через строку. В течение времени одной строки передается только цветоразностный сигнала E_R - E_g, другой – только E_R - E_g, во время третьей строки вновь передается E_R - E_g и т.д. Чтобы получить в телевизоре цветоразностный сигнал E_G - E_g необходимо иметь оба цветоразностных сигнала E_R - E_g и Е_В -Е_g одновременно. Для этого в телевизорах используется линия задержки со временем задержки (запоминанием) на одну строку (64 мкс). Таким образом, каждая передаваема строка запоминается в линии задержки, и к приходу следующей строки ее можно использовать как недостающий сигнала для формирования третьего цветоразностного сигнала. Отметим, что обе поднесущие частоты выбираются четными гармониками частоты строчной развертки. Для передачи сигнала E_R - E_g используется частота f_0R = 282 F_c = 282 ×15625 = 4,406 МГц и для передачи сигнала Е_В - Е _g используется частота f_0B = 272 F_c = 272× 15625 = 4,250 МГц.

Раздел 2.6. Сигналы передачи данных и телеграфии

Первичные сигналы телеграфии и передачи данных получаются на выходе телеграфных аппаратов или аппаратуры передачи данных и представляют последовательность однополярных (рис. 2.5, а) или двухполярных (рис. 2.5, б) прямоугольных импульсов постоянной амплитуды и длительности. При этом положительный импульс обычно соответствует передаваемому символу «1», а пропуск или отрицательный импульс – символу «0». Такие сигналы принято называть двоичными.

t

	а)		б)

Рис. 2.5 – Сигналы передачи данных и телеграфии

На рис. 2.5 приняты следующие обозначения: C(t) – первичный сигнала передачи данных или телеграфии; А_m – амплитуда импульсов и t_и – длительность импульсов. Кроме этих параметров импульсной последовательности, вводится понятие тактовой частоты, под которой понимается отношение вида F_Т = 1/ t_и и которая численно равна скорости передачи в бодах (В). Отметим, что значение тактовой частоты F_Т и скорости передачи В совпадают только в случае передачи двоичных последовательностей. При переходе к многопозиционным кодам такого совпадения нет.

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

Определим основные физические параметры первичных сигналов телеграфии и передачи данных.

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

Информационная емкость сигналов передачи данных и телеграфии равна скорости передачи, т.е. I_ТЛГ = F_Т.

Для определения полосы частот, необходимой для качественной передачи сигналов телеграфии и передачи данных воспользуемся понятием спектральной плотности амплитуд S_и (f) элементарного сигнала: прямоугольного импульса с амплитудой A_m и длительностью t_и.

Спектральную плотность амплитуд такого импульса, иногда называемого видеоимпульсом, применив к нему прямое преобразование Фурье, получим:

.

Из анализа следует наличие нулей спектральной плотности амплитуд. Эти нули располагаются на частотах, где sin pft_и = 0, т.е. при p¦t_и = 2 kp, и следовательно, на частотах f_k = k/t_и = kF_Т, т.е. нули спектральной плотности амплитуд одиночного прямоугольного импульса располагаются на гармониках тактовой частоты. При f ® 0, выражение принимает значение , т.е. начальное и одновременно наибольшее значение спектральной плотности импульса равно его площади S_и = А_m ×t_и. График спектральной плотности амплитуд видеоимпульса (одиночного прямоугольного импульса – элементарной посылки) показан на рис. 2.6.

Из рассмотрения рис.2.6 следует, что основаня энергия (более 90%) импульса находится в полосе частот от 0 до F_Т = 1/ t_и, т.е. в полосе частот главного «лепестка» его спектральной плотности амплитуд, а в полосе частот от 0 до F_Т / 2 – более 60 %.

Рис. 2.6 – Спектральная плотность амплитуд прямоугольного видеоимпульса

Другим предельным видом сигнала передачи данных и телеграфии является сигнал, соответствующей передачи «точек», т.е. периодической последовательности токовых «1» и бестоковых «0» посылок, рис. 2.7. Здесь, кроме уже принятых, введем новые обозначения: Т_и – период следования импульсов, а 1/ Т_и = F_и – частота следования импульсов; Т_и / t_и = q_и – скважность импульсов (для передачи “точек” скважность q =2).

Рис. 2.7 – Телеграфный сигнал, соответствующий передача «точек»

Периодический сигнал, рис. 2.7, может быть представлен рядом Фурье:

.

Анализ формулы показывает, что периодическая последовательность импульсов, рис. 2.7, в самом общем случае, содержит постоянную составляющую с амплитудой:

А₀ = A_mt_и / Т_и = A_m / q_и,

и гармоники частоты следования импульсов F_и с амплитудами

А_k = 2 A_m [sin(kpt_и / Т_и)] / kp = 2 A_m [sin(kp / q_и)] / kp,

число которых зависит от скважности периодической последовательности. Для случая передачи «точек» скважность q_и = 2:

Основная энергия периодической последовательности импульсов, рис. 2.7 лежит в полосе частот от 0 до F_T = 2 F_и.

Следовательно, спектр сигналов передачи данных и телеграфии, в самом общем случае, содержит непрерывную составляющую, спектральная плотность амплитуд которой совпадают со спектральной плотностью одиночного импульса, и дискретную составляющую, соответствующую спектру амплитуд периодической последовательности импульсов типа «точек».

Следует, однако, иметь в виду, что при передаче двоичных сигналов в приемнике нет необходимости восстанавливать импульсы без искажений, т.е. строго сохранять их форму. Для восстановления информации достаточно – зафиксировать только знак импульса при двухполярном сигнале, либо наличие или отсутствие импульса для однополярного сигнала.

Если спектр сигнала ограничить фильтром нижних частот (ФНЧ), по характеристикам близким к идеальному, то уверенный прием сигналов возможен при частоте среза равной 0,5 F_T, т.е. можно считать, что эти сигналы занимают полосу частот от 0 до 0,5 F_T. Однако в реальных условиях верхнюю граничную частоту спектра сигналов телеграфии и передачи данных принимают равной F_T или даже 1,2 F_T. Можно считать, если не оговорены специальные условия, сигналы передачи данных и телеграфии занимают полосу частот от 0 до F_T.

При передаче таких сигналов вероятность неправильно принятого символа («1» или «0») или вероятность ошибки должна быть не хуже 10^-5. Это позволяет принять значение необходимой защищенности от помех не хуже А_з.тлг = 12 дБ.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Динамический диапазон первичного сигнала, физический смысл величин, входящих в формулу для определения динамического диапазона.

2. Пик-фактор первичного сигнала, физический смысл величин, входящих в формулу для его определения.

3. Оценка количества (объема) информации, переносимой первичным сигналом.

4. Назовите первичный сигнал, обладающий наиболее широкой эффективно-передаваемой полосой частот.

5. Назовите основные параметры первичных сигналов и их размерности.

Дата добавления: 2014-10-17