Первичные сигналы электросвязи

В настоящее время каналы электросвязи используются в ос-новномдля передачи речевых, вещательных, телевизионных, фак-симильных, телеграфных (передача данных) сигналов. Все они по-лучилиназвание первичных сигналов электросвязи. Ниже приво-дится краткое описание этих сигналов. Более подробные сведения о первичных сигналах можно найти в учебниках по системам связи.

Речевой (телефонный) сигнал. Речь является слу­чайным процессом. Первичные речевые сигналы, формируемые электроакустическими преобразователями — микрофонами, пред­ставляют собой реализации этого процесса. Статистические харак­теристики речевого сигнала получают усреднением результатов измерений как по множеству, так и по времени, При этом поль­зуются рекомендациями МККТТ.

Абсолютный динамический уровень речевого сигнала L₁ носит название волюм и измеряется специальным квадратичным вольт­метром (волюмметром) с временем усреднения 200 мс. За нуле­вой уровень приняты Р_о=1 мВт, U_o = 0,775 В при сопротивлении нагрузки 600 Ом. Одномерная плотность вероятности волюмов различных абонентов близка к нормальной.

Спектральная плотность мощности речевого сигнала имеет максимум на частоте 300...500 Гц и простирается от 50... 100 до 8000.... 10 000 Гц. Однако установлено, что качество речи вполне удовлетворительно при ограничении спектра частотами 300... 3400 Гц.

Качество восприятия речевого сигнала определяется разницей уровней сигнала и помех, поступающих на вход телефона. При телефонной связи равные по уровню (мощности) помехи различ­ной частоты оказывают различное влияние на качество вследствие частотной зависимости чувствительности уха. Чтобы учесть это различие, помехи при измерениях пропускаются через специаль­ный взвешивающий псофометрический фильтр. Мощность помех, измеренную на выходе такого фильтра, называют псофометрической. В полосе 0,3... 3,4 кГц средний уровень псофометрических помех на 2,5 дБ (или в 1,78 раза) меньше, чем для помех с рав­номерным спектром. Значение 2,5 дБ называют псофометрическим коэффициентом шума. Защищенность речевого сигнала от шума должна быть не менее 21 дБ.

Сигнал звукового вещания. Источниками звука при передаче вещательных программ обычно являются музыкальные инструменты или голос человека. Это также реализации случай­ного процесса. Для их качественного восприятия и полоса частот, и отношение сигнал-шум должны быть больше, чем для речевых сигналов. Характеристики псофометрического фильтра здесь нес­колько другие, псофометрический коэффициент — 6 дБ.

Телевизионный сигнал. В телевидении первичный сигнал формируется методом развертки. По принятому в СССР стандарту число строк 2 = 625. Передача движущегося изображе­ния сводится к последовательной передаче кадров. В секунду передается 25 кадров, чтобы избежать мерцания на экране при­емной трубки (кинескопа), стандартом предусмотрена чересстроч­ная развертка в виде двух полукадров. Первый полукадр — пе­редача нечетных строк, второй — передача четных. Число передаваемых строк в секунду nz= 15625, время передачи одной строки — 64 мкс.

Для синхронизации лучей приемной и передающей трубок необходима передача вспомогательных импульсов (синхронизиру­ющих и гасящих обратный ход). Электрический сигнал, включаю­щий в себя сигнал изображения и управляющие импульсы, на­зывается полным телевизионным сигналом. Он состоит из случай­ного сигнала яркости и цветности (квазистационарный случайный процесс) и детерминированных вспомогательных импульсных сиг-налов.

Помехи вызывают на экране кинескопа светлые или темные штрихи и пятна. При значительных помехах изображение видно как бы сквозь пелену мерцающих светлых и темных точек. На-блюдаются срывы кадровой и строчной синхронизации.

Согласно рекомендациям МККТТ при изменениях мощности помехи в полосе телевизионного сигнала необходимо учитывать частотную чувствительность глаза. Для этого применяется специ-альный взвешивающий фильтр. На выходе такого фильтра уровень помехи на 9 дБ меньше, чем на его входе. Измерения проводятся для помехи с равномерным спектром. Защищенность телевизион-ного сигнала от взвешенной помехи должна быть не хуже 57 дБ.

Факсимильный сигнал. Факсимильной связью называ­ется передача неподвижных изображений (рисунков, чертежей, фотографий, текстов, газетных полос и т. д.) по каналам электро­связи. Первичные факсимильные сигналы получают в результате электрооптического анализа, заключающегося в преобразовании светового потока, отражаемого элементарными площадками изоб­ражения, в электрические сигналы. Как и в телевидении, здесь сигнал формируется методом развертки. Развертка обычно полу­чается электромеханическим способом.

Передающий факсимильный аппарат имеет барабан, на кото­рый накладывается изображение. На поверхность изображения проецируется яркое светлое пятно, перемещающееся вдоль оси ба­рабана. Вращение барабана и смещение пятна обеспечивает раз­вертку. Отраженный световой поток принимается фотоэлементом. В его цепи появляется ток, мгновенные значения которого опре­деляются отражающей способностью элементов изображения.

Характеристики тока зависят от размеров барабана, скорости его вращения, скорости смещения пятна по барабану, характера изображения. При передаче реальных изображений первичный сигнал получается сложной формы и его можно отнести к стационарному случайному процессу. В зависимости от характера изображения первичные факсимильные сигналы разделяются на штриховые, содержащие две градации яркости, и полутоновые со многими градациями яркости.

Одним из важных видов факсимильной связи является передача газет, т. е. изображений газетных полос центральных и республиканских газет, в различные города СССР для их децентра­лизованного печатания. Для этого используются специальные вы-

сокоскоростные факсимильные аппараты, имеющие диаметр све­тового пятна 0,04... 0,06 мм. Аппаратура «Газета-2» обеспечивает передачу газетной полосы за 2,5... 3,5 мин.

Телеграфный сигнал и сигнал передачи дан-н ы х. Первичные телеграфные сигналы и сигналы передачи дан­ных представляют собой случайную последовательность прямо­угольных импульсов (однополярных или двуполярных) детерми­нированной амплитуды и длительности t_и. Скорость модуляции, вероятности появления положительных (1) и отрицательных (0) импульсов, статистическая связь между ними определяется источ­ником информации. Обычно Р(1) =Р(0) =0,5, т. е. импульсы рав­новероятны.

Эффективную полосу частот последовательности телеграфных импульсов можно найти из соотношения (2.34)

Δf₃≈1/t_и=B

Скорость модуляции В в современных системах телеграфии и пе­редача данных достигает десятков тысяч бод.

Для сравнения основные характеристики первичных сигналов сведены в табл. 2.3. Отношение сигнал-помеха р_с.-п, приведенное в таблице, соответствует хорошему качеству зоспроизведения этих сигналов.

Таблица 2.3. Основные характеристики первичных сигналов

Запомните основные положения:

2.1. В каналах действуют реальные сигналы и помехи, а для расчетов используются их математические модели.

2.2. Математическое описание сложного сигнала — представ­ление его в виде суммы простых составляющих, т. е. Разложение сигнала в ряд. Широко применяются ряд Фурье и ряд Котельникова.

2.3. Коэффициентами ряда Котельникова служат отсчеты сиг­нала, взятые через равные промежутки времени.

2.4. Флуктуационный шум - типичная помеха в каналах электросвязи.

2.5. Основные числовые характеристики сигналов: энергия, мощность, длительность, ширина спектра, динамический диапазон.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

2.1.Почему простое гармоническое колебание cos(ωt+ψ) играет особую роль в технике электросвязи?

2.2.Какие сигналы можно разложить в ряд Фурье?

2.3.Что такое спектр сигнала?

2.4. Что называется математической моделью электрического сигнала? Для чего необходимо знать математическую модель?

2.5.Как принято определять длительность и ширину спектра сигнала?

2.6.Какие сигналы, детерминированные или случайные, чаще используются в системах электросвязи?

2.7.Поясните физический смысл математического ожидания и дисперсии.

2.8.Напишите формулу ряда Котельникова и дайте словесную формули­ровку теоремы Котельникова.

2.9.Графически изобразите случай, когда отсчеты берутся недостаточно часто для того, чтобы можно было бы воспользоваться рядом Котельникова для точного восстановления сигнала.

2.10. Что такое белый и квазибелый шум?

ЗАДАЧИ

2.1. Записать аналитическое выражение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя с активной нагрузкой. На вход подано гармоническое колебание.

Ответ: u_вых(t)=U_m|cos(ωt+ψ)|

2.2. Вычислить спектр сигнала: u(t)=10|cos100πt)|

Ответ: А₀/2=6,37, A_m2=4,24, A_m4=0,848, A_m6=0,363, f1 = 50 Гц.

2.3. Вычислить спектральную плотность видеоимпульса гауссовского типа u(t) = 10ехр(-2*10¹²t²)

Ответ: F(ω) =5 )

2.4. Телеметрический сигнал имеет ширину спектра 100... 500 Гц. Опреде­лить число отсчетов п этого сигнала по Котельникову за время t_н=20 с.

Ответ: n=2*10⁴.

2.5. Определить коэффициент амплитуды сигнала, описанного в задаче 2.2.
Ответ: K²=3,0 дБ.

2.6. Определить длительность и ширину спектра видеоимпульса, описанно­го в задаче 2.3.

Ответ: На уровне отсчета 5% от максимального Δt_и=5,89*10-⁷ с, Δf_и= 1,72* 10⁶ Гц, Δt_и/ Δf_и=1,01..

Глава 3. МОДУЛИРОВАННЫЕ СИГНАЛЫ