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. а)

или двухполярных (рис. б)прямоугольных импульсов постоянной амплитуды и длительности.

Рис. Сигналы передачи данных и телеграфии

При этом положительный импульс обычно соответствует передаваемому символу «1», а пропуск или отрицательный импульс - символу «0». Такие сигналы принято называть двоичными.

На рис. приняты следующие обозначения: C(t) - первичный сиг­нал передачи данных и телеграфии; А_т - амплитуда импульсов и - длительность импульсов.

Кроме этих параметров импульсной по­следовательности, вводится понятие тактовой частоты, под кото­рой понимается отношение вида F_T = 1/ и которая численно равна скорости передачи в бодах (В). Отметим, что значение тактовой частоты F_T 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, так как по самому определению для такого класса сигналов не имеет смысла.

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

Для определения полосы частот, необходимой для качественной пе­редачи сигналов телеграфии и передачи данных, воспользуемся поня­тием спектральной плотности амплитуд элементарного сигнала: прямоугольного импульса с амплитудой А_т и длительностью.

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

(12)

Из анализа (12) следует наличие нулей спектральной плотности амплитуд. Эти нули располагаются на частотах, где, т.е. при,и, следовательно, на частотах f_k = k/= kF_T, т.е. нули спектральной плотности амплитуд одиночного прямоугольного импульса располагаются на гармониках тактовой частоты.

При (12) принимает значение

т.е. начальное и одновременно наибольшее значение спектральной плотности импульса равно его площади. График спек­тральной плотности амплитуд видеоимпульса (одиночного прямо­угольного импульса - элементарной посылки) показан на рис. ниже.

Рис. Спектральная плотность амплитуд видеоимпульса

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

Другим предельным видом сигнала передачи данных и телегра­фии является сигнал, соответствующей передачи «точек», т.е. периодической последовательности токовых «1» и бестоковых «0» посылок (см. рис. ниже).

Рис. Телеграфный сигнал, соответствующий передача «точек»

Здесь, кроме уже принятых, введем новые обозначения: Т_и - период следования импульсов, а 1/Т_и = F_u - час­тота следования импульсов; Т_и /= q_u - скважность импульсов (для передачи «точек» скважность q = 2).

Периодический сигнал может быть представлен рядом Фурье:

(13)

Анализ формулы (13) показывает, что периодическая последо­вательность импульсов, в самом общем случае, содержит постоян­ную составляющую с амплитудой

(14)

и гармоники частоты следования импульсов F_u с амплитудами

, (15)

число которых зависит от скважности периодической последова­тельности. Для случая передачи «точек» скважность q_u = 2 и фор­мула (13) приводится к виду:

(16)

Основная энергия периодической последовательности импуль­сов лежит в полосе частот от 0 до F_T = 2 F_u. Следовательно, спектр сигналов передачи данных и телеграфии, в самом общем случае, содержит непрерывную составляющую, спектральная плотность амплитуд которой совпадает 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), близким к идеальному, то уверенный прием сигналов возможен при частоте среза, равной 0,5F_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 1,2F_T. Это обусловлено тем, что при некоторых видах передачи информация заложена в изменениях длительности импульсов, а также мешающим дейст­вием помех. 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 12 дБ.

§ Каналы передачи, их классификация и основные характеристики

Ключевыми понятиями техники телекоммуникационных систем и сетей являются канал передачи или канал электросвязи.

Каналом передачи называется совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающая передачу сигналов электросвязи в определенной полосе частот или с определенной скоростью передачи между оконечными или проме­жуточными пунктами телекоммуникационных сетей.

Каналы передачи (далее просто «каналы») классифицируются:

Ø по методам передачи сигналов электросвязи различают аналого­вые и цифровые каналы. Аналоговые каналы, в свою очередь, под­разделяются на непрерывные и дискретные в зависимости от изменения представляющего (информационного) параметра сигнала. Цифровые каналы делятся на каналы с использованием импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), каналы с использованием дифференциальной ИКМ и каналы на основе дельта-модуляции;каналы, в которых на одних участках используются аналоговые, а на других цифровые методы передачи сигналов, называются смешанны­ми каналами передачи;

Ø в зависимости от ширины полосы пропускания, в которой пере­даются сигналы электросвязи, и соответствия параметров каналов установленным нормам различают аналоговые типовые каналы тональной частоты, типовые первичный, вторичный, тре­тичный и четверичный широкополосные каналы; типовые каналы передачи сигналов звукового вещания, сигналов изо­бражения и звукового сопровождения телевидения;

Ø в зависимости от скорости передачи и соответствия параметров каналов установленным нормам различают основной цифровой канал, первичный, вторичный, третичный, четверичный и пятеричный цифровые каналы;

Ø по виду среды распространения сигналов электросвязи разли­чают: проводные каналы, организованные по кабельным и, реже, воздушным линиям связи, и каналы радиосвязи, организованные по радио, радиорелейным и спутниковым линиям связи.

Каналом электросвязи называется комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий передачу пер­вичных сигналов электросвязи от преобразователя сообщения в первичный сигнал до преобразователя первичного сигнала в сообщение.

Помимо приведенной классификации, каналы электросвязи под­разделяются:

· по виду передаваемых первичных сигналов (или сообщений) различают: телефонные каналы (сотовая + проводная), каналы звукового вещания, телевизионные каналы, телеграфные каналы и каналы пере­дачи данных;

· по способам организации двусторонней связи различают: двухпроводный однополосный канал, двухпроводный двухполос­ный канал и четырехпроводный однополосный канал;

· по территориальному признаку каналы электросвязи подразде­ляются на международные, междугородные, магистральные, зоновые и местные.

Рассмотренная классификация каналов передачи и электросвязи соответствует сложившейся практике их организации и разработки требований к их основным параметрам и характеристикам, которые принято увязывать с соответствующими параметрами и характери­стиками первичных сигналов.

Канал может характеризоваться тремя параметрами:

1) эффективно передаваемой полосой частот F_K,которую канал способен пропустить с выполнением требований к качеству переда­чи сигналов;

2) временем T_K, в течение которого канал предоставлен для пе­редачи сигналов или сообщений;

3) динамическим диапазоном D_K, под которым понимается отно­шение вида

(1)

где максимальная неискаженная мощность, которая может быть передана по каналу; минимальная мощность сигнала, при которой обеспечивается необходимая защищенность от помех.

Очевидно, что передача сигнала с параметрами F_C, Т_с и D_c по каналу с параметрами F_K, Т_K и D_K возможна при условии

F_K F_C; Т_K Т_C; D_K D_C (2)

Произведение трех параметров канала V_K = D_K F_K Т_K называется его емкостью. Сигнал может быть передан по каналу, если его емкость не менее объема сигнала. Если система неравенств (2) не выполняется, то возможна деформация одного из параметров сигнала, позволяющих согласовать его объем с емко­стью канала. Следовательно, условие возможности передачи сигнала по каналу можно представить в общем виде

V_K V_C (3)

Канал характеризуется защищенностью

(4)

где мощность помех в канале.

Пропускная способность канала описывается следующим выра­жением:

(5)

где средняя мощность передаваемого по каналу сигнала.