Первичные сигналы электросвязи и их основные характеристики

Сообщения, передаваемые по каналам связи, преобразуются передатчиком в непрерывные (аналоговые) или дискретные (прерывистые) электрические сигналы или сигналы электросвязи, в так называемые первичные сигналы. Первичные сигналы, соответствующие сообщениям различной природы, представляют собой случайные процессы. К первичным сигналам электросвязи относятся: телефонный (речевой) сигнал, сигнал звукового вещания, факсимильный сигнал, телевизионный сигнал, телеграфный сигнал и сигнал передачи данных.

Основным типовым каналом принят канал тональной частоты (ТЧ) с полосой частот 300...3400 Гц, что соответствует спектру частот телефонного (речевого) сигнала.

Первичные сигналы, соответствующие сообщениям различной природы, представляют собой случайные процессы. Основными характеристиками случайных процессов являются: средняя мощность, энергетический спектр, динамический диапазон, пик-фактор сигнала и количество информации.

Средняя мощность – это мощность которую развивает случайный а(t) сигнал на резисторе сопротивлением 1 Ом в момент времени t. Энергетический спектр сигнала – область частот, в которой сосредоточена основная энергия сигнала.

Мгновенная мощность сигналов связи может принимать различные значения в весьма широких пределах. Чтобы охарактеризовать эти пределы, вводят понятия динамического диапазона и пик-фактора сигналов.

Динамический диапазон сигнала – десять десятичных логарифмов отношения максимальной мощности к минимальной.

D=10lg (P _max /P _min) (6)

Пик-фактором сигнала Q называется отношение его максимальной мощности к средней. В логарифмических единицах

Q=10lg(P _max /P _ср) (7)

В некоторых случаях динамический диапазон и пик-фактор определяют не в логарифмических, а в абсолютных единицах (в “разах”).

Весьма важным параметром сигнала является также количество информации I, переносимой им в единицу времени (информационная содержательность сигнала). Для цифрового сигнала

(8)

где F_T – тактовая частота сигнала, l – число разрешенных уровней.

Для аналогового сигнала

, (9)

где - коэффициент активности; F – эффективная ширина спектра; Р_с.ср – средняя мощность сигнала; Р_ш – мощность помехи.

Мы рассмотрим основные характеристики только телефонного сигнала.

Телефонный (речевой) сигнал. Так как телефонная связь должна быть двусторонняя, то получается, что каждый канал ТЧ состоит из двух каналов одностороннего действия, которые при передаче телефонных сигналов объединяются в один двусторонний канал, а при передаче других сигналов могут использоваться независимо друг от друга. Данный канал также позволяет передавать факсимильные, телеграфные сигналы и сигналы передачи данных со скоростью до 9600 Бод. Для передачи сигналов с более широким спектром, например для передачи сигналов вещания, высокоскоростной передачи данных, организуются широкополосные каналы путем объединения нескольких каналов ТЧ.

Высокое качество передачи телефонного сигнала характеризуется уровнем громкости, разборчивостью, естественным звучанием голоса, низким уровнем помех. Основными характеристиками телефонного сигнала являются:

• мощность телефонного сигнала Р_тлф. Кроме речевых сигналов в канал поступают сигналы управления, набора номера, вызова и т.д. С учетом этих сигналов среднюю мощность телефонного сигнала принимают равной 32 мкВт, что соответствует р_ср= -15 дБ.
• динамический диапазон телефонного сигнала D=35…40 дБ.
• Речь представляет собой широкополосный процесс, частотный спектр которого простирается от 50…100 до 8000…10000 Гц. Установлено, однако, что качество речи получается вполне удовлетворительным при ограничении спектра частотами 300…3400 Гц. Эти частоты приняты в качестве границ эффективного спектра речи.
• количество информации речевого сигнала рассчитаем по формуле (9); здесь F =3100 Гц – эффективная ширина спектра речи; Р_р.ср. =88 мкВт – средняя мощность речевого сигнала на активных интервалах; Р_ш – допустимая мощность шума (178000 пВт). При этих значениях I_р 8000 бит/с.

Если при построении сети связи сравнивать затраты на оборудование и затраты на прокладку и приобретение кабелей связи, то увидим, что стоимость кабельных сооружений достаточно велика. Поэтому необходимо как можно эффективнее использовать кабели связи. Естественно, что передавать по одному кабелю один канал не выгодно, поэтому по одной физической цепи передают много каналов, отсюда название - многоканальная система передачи (МСП).

В общем виде упрощенная структурная схема МСП имеет вид:

Рисунок 1- Упрощённая структурная схема МСП

На передающей станции первичные сигналы С1(t),..., C_N(t) преобразуются модуляторами М1,...., Мn в канальные сигналы U1(t),...., U_N(t). В сумматоре канальные сигналы объединяются в групповой сигнал U_Г(t). Передатчик (Пер) преобразует групповой сигнал в линейный, который поступает в линию связи. Так как линии передачи бывают разными: пара проводов, коаксиальный кабель, волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), радиорелейные линии (РРЛ); то при формировании линейного сигнала из группового необходимо учитывать свойства соответствующей линии связи, и в частности рабочий диапазон частот, уровни передаваемых и принимаемых сигналов, а также помех. Похождение сигналов по линиям связи сопровождается искажением их формы и ослаблением мощности. Кроме того, происходит маскирование сигналов помехами. Поэтому в подавляющем большинстве случаев линию связи разбивают на отдельные участки, в конце которых устанавливают обслуживаемые или необслуживаемые промежуточные усилительные пункты (ОУП, НУП). Приемник (Пр), во-первых, выполняет функции оборудования ОУП, во-вторых, преобразует линейный сигнал в групповой. Далее сигнал U_Г(t) поступает на вход совокупностей разделителей Р₁,…, Р_N канальных сигналов. Затем с помощью демодуляторов ДМ₁,…,ДМ_N канальные сигналы преобразуются в первичные и поступают на выходы каналов.

При построении МСП чаще всего используются частотный и временной способы разделения каналов (ЧРК и ВРК).

Аналоговые системы передачи с временным разделением каналов

(МСП с ВРК)

В основе временного разделения каналов лежит теорема Котельникова, которая гласит:

Любой сигнал, имеющий непрерывный спектр, ограниченный частотой Fв, может быть представлен в виде отсчетов на передаче и затем восстановлен на приеме со сколь угодно малой погрешностью, если частота отсчетов (частота дискретизации F д ) больше либо равна 2 Fв(F д≥ 2 Fв).

При временном разделении каналов по цепи передаются периодические последовательности очень коротких импульсов, амплитуды которых равны величинам мгновенных значений канальных сигналов.

Упрощенная структурная схема МСП с ВРК представлена на рисунке 2.

Исходные непрерывные сигналы каждого канала С₁(t),..., C_N(t) после ограничения спектра фильтром нижних частот (ФНЧ) поступают на ключи К₁,..., К_N, которые осуществляют дискретизацию этих сигналов. Работой ключей управляет периодическая последовательность импульсов, вырабатываемая генераторным оборудованием ГОпер. Частота следования импульсов равна частоте дискретизации Fд.

Импульсные последовательности, управляющие работой разных ключей, сдвинуты друг от друга на равные временные интервалы, величина которых определяется Тд и числом каналов в системе.

Таким образом, групповой сигнал представляет собой последовательность коротких импульсов.

Рисунок 2 -Структурная схема МСП с ВРК

На приемной станции разделение канальных сигналов осуществляется ключами К₁',..., К_N'. Работой ключей управляет последовательность импульсов от ГОпр. Для того, чтобы передаваемый сигнал поступил в соответствующий приемник, необходимо, чтобы электронные ключи на передаче и на приеме работали синхронно и синфазно. Для этого с передающей станции на приемную передается синхросигнал СС. В том случае, если ключи будут работать не синфазно, то сигнал попадет не в свой приемник, а в приемник соседнего канала. При несинхронной работе ключей сигнал вообще может не попасть ни в один приемник. На рисунке 3 и 4 представлены сигналы, поясняющие работу системы передачи с ВРК.

Восстановление исходного непрерывного сигнала из последовательности импульсов осуществляют фильтры нижних частот (ФНЧ). (Рисунок 4)

Так как полоса пропускания линии передачи ограничена, то между каналами в групповом сигнале могут возникнуть взаимные переходные помехи. Для их уменьшения между канальными импульсами вводят защитные интервалы Тз.

Определим частоту и период дискретизации. Как говорилось выше, типовой канал имеет спектр 0,3...3,4 кГц, следовательно, по теореме Котельникова, частота дискретизации должна быть не меньше, чем 6,8 кГц, для того, чтобы обеспечить возможность выделения исходного канала фильтром ФНЧ, частоту дискретизации приняли равной 8 кГц, соответственно период дискретизации составляет 125 мкс.

МСП с ВРК и АИМ имеют низкую помехозащищенность, поэтому АИМ применяют лишь на первой ступени преобразования, а на более высоких ступенях применяют ИКМ и ФИМ.

Рисунок 3 - Сигналы в системе передачи с ВРК

Рисунок 4 - Спектральный состав сигналов в МСП с ВРК

Структурная схема многоканальной системы передач с частотным разделением каналов (МСП с ЧРК)

Упрощенная структурная схема МСП с ЧРК представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Структурная схема МСП с ЧРК

Исходные сигналы с полосой частот Fmin...Fmax поступают на модуляторы М₁,...., М_N, на второй вход которых поступают несущие частоты f_Н1,...., f_НN от генераторного оборудования ГО. На выходе модуляторов получаем модулированный сигнал. Полосовые фильтры ПФ₁,..., ПФ_Nподавляют побочные продукты модуляции и выделяют необходимые полосы частот f₁...f₂, f₃...f₄, f_L...f_M., причем эти полосы не должны перекрываться. Объединяясь, канальные сигналы образуют групповой сигнал с полосой частот f₁...f_M.

На приемной станции происходит обратное преобразование. Полосовые фильтры из принимаемого группового сигнала выделяют канальные сигналы, которые затем поступают на демодуляторы и ФНЧ. Таким образом, на приемной станции получаем исходные сигналы с полосами частот Fmin...Fmax.

Необходимо отметить, что полоса частот исходного сигнала должна быть меньше, либо равна полосе частот канального сигнала, для того, чтобы исходный сигнал не искажался. Лучше если они будут равны, тогда групповой спектр будет иметь наименьшую ширину.

Дата добавления: 2014-12-16