2015-10-13
2237
Використання інформації споживачем пов’язане з її передачею від джерела. Передача здійснюється в просторі й у часі. Залежно від того, який фактор є визначальним, розглядають передавання на відстань, передавання в часі або передавання на відстань і в часі. Використання інформації споживачем на відстані від джерела здійснюється з допомогою каналів передачі. Під каналом передачі інформації розуміють усю сукупність технічних засобів, які забезпечують передавання інформації від джерела її виникнення (об’єкта) до споживача (адресата). У цьому випадку канал передачі містить передавач, лінію зв’язку й приймач. Якщо в каналі передачі інформація передається неперервними сигналами, то такий канал називають неперервним. Якщо в каналі передачі інформація передається дискретними сигналами, то такий канал називають дискретним.
При вивченні каналів передачі лінію зв’язку найчастіше вважають заданою (тобто всі властивості лінії зв’язку є відомими). У цьому випадку всі завдання аналізу й синтезу каналу передачі сигналів зводяться до аналізу й синтезу операторів перетворень сигналів у передавачі, приймачі та інших пристроях.
Канали передачі сигналів класифікуються за різними ознаками: за призначенням, властивостями (типами) ліній зв'язку, за діапазоном частот, властивостями сигналів на вході й виході й т.ін.
Одним із основних завдань аналізу каналу передачі інформації є аналіз спотворень сигналів, які передаються по них. Дослідження спотворень проводяться на реальних каналах або їхніх моделях. Моделі можуть бути фізичними й математичними.
Математичні моделі каналів передачі в цілому для повного аналізу спотворень є достатньо складними. На практиці для вирішення цього завдання канал передачі інформації зображають у вигляді послідовного або послідовно-паралельного з´єднання різних пристроїв, оператори перетворення яких є відомими.
Це дає можливість вирішити ряд завдань аналізу й синтезу каналів передачі. Визначальним елементом каналу передачі є лінія зв’язку — фізичне середовище, по якому передаються сигнали.
Лінія зв’язку визначає апаратну реалізацію передавальної й приймальної сторін каналу. Так, лініями зв’язку для механічних сигналів є механічні, гідравлічні, пневматичні з´єднання.
Наприклад, для акустичних каналів лініями зв’язку є суцільне середовище: тверде, рідке, газоподібне, для електричних — електричні проводи, для оптичних — оптично прозоре середовище, для радіоканалів — ефір.
У техніці передачі інформації знаходять застосування (табл. 4.1) механічні, акустичні, оптичні, електричні й радіоканали, які різняться лініями зв’язку й фізичною природою сигналів, що передаються. Основною, але не єдиною ознакою каналів є діапазон робочих частот (смуга пропускання сигналів).
Механічні канали застосовуються для передачі на короткі відстані (до 500 м) сигналів у вигляді механічних зусиль або тисків. Механічні канали передають зусилля або тиски на відстані до декількох десятків метрів. У гідравлічних каналах передача зусиль або тисків є меншою (до декількох метрів) через погані динамічні властивості цих каналів.
Пневматичними каналами передаються сигнали у вигляді зміни значень тисків газу. Довжина пневматичних каналів досягає декількох сот метрів.
Таблиця 4.1
| Вид каналу | Лінія зв’язку | Різновиди каналів | Робочий діапазон | L, км | |
| F, Гц | l, м | ||||
| Механічний | Механічне, гідравлічне, пневматичне з´єднання | Жорсткі | — | — | < 0,04 |
| Гідравлічні | — | — | < 0,01 | ||
| Пневматичні | — | — | < 0,05 | ||
| Акустичний | Тверде, рідке, газоподібне середовище | Звукові | < 20×103 | < 15×10-3 | |
| Ультразвукові | > 20×103 | > 15×10-3 | < 2 | ||
| Електричний | Електросередовище | Підтональні частоти | > 1,5×106 | < 10 k (k < 5) | |
| Тональні частоти | 300 … 3400 | < 104 | |||
| Надтональні частоти | 4000 …8500 | (32… 75)×103 | |||
| Високочастотні | > 104 | < 3×104 | |||
| Радіо | Ефір | ДХД | 0,9×106 | > 103 | — |
| КХД | 106 | 200…1000 | |||
| СХД | (1,5 … 6)×106 | 50…200 | |||
| УКХД | (6…30)×106 | 10 … 50 | |||
| СД | 30×106…1012 | 10-4…10 | |||
| Оптичний | Оптичне (прозоре) середовище | Інфрачервоні хвилі | (3 …400)×1012 | — | — |
| Світлові хвилі | (4…6)×1014 | — | |||
| Ультрафіолетові хвилі | (1…100)×1014 | — | |||
| Рентгенівське випромінювання | 1016 …1020 | — | |||
| Гамма-випромінювання | 1020 …1022 | — |
Серед механічних каналів пневматичні отримали найбільше розповсюдження у зв’язку з широким використанням уніфікованих пневматичних систем контролю й регулювання на підприємствах з вибухово- і пожежонебезпечним середовищем.
Такий канал передачі інформації складається з пневматичного датчика (або перетворювача-формувача тиску газу, пропорційного вимірюваному процесу), пневматичної лінії зв’язку й перетворювального приладу (пристрою) на виході системи. Недоліком таких систем є тривалі перехідні процесі в пневматичних лініях зв’язку, особливо в лініях великої довжини.
В акустичних каналах інформація передається коливаннями у суцільних звукопровідних матеріалах і середовищах. Акустичні системи знайшли різноманітне застосування: акустичний контроль працюючих механічних об’єктів, ультразвукова дефектоскопія, акустичне виявлення об’єктів (підводних човнів, суден, літаків), гідролокація, акустичний зв’язок та ін.
Акустичні системи можуть бути активними й пасивними. У пасивній системі джерелами звуку є контрольовані або виявлені об’єкти. В активних системах (ультразвукова дефектоскопія, локація, зв’язок) акустичні сигнали формуються спеціальними генераторами. Як джерела й приймачі звукових (до 20 кГц) та ультразвукових (понад 20 кГц) коливань використовуються магнітострикційні матеріали, а для більш високих частот (до 106 кГц) — п’єзоелектричні кристали.
Електричні канали на проводових лініях зв’язку отримали найбільше застосування. Такі лінії можуть бути повітряними й кабельними. Електрична лінія зв’язку являє собою послідовне з´єднання великої кількості чотириполюсників (рис. 4.1), де R 0 — активний опір проводу, який припадає на одиницю довжини (як правило, на 1 км) і залежить від матеріалу (r0), перерізу проводу S, температури середовища t і частоти сигналів w, що передаються (при збільшенні частоти w опір R0 зростає через наявність поверхневого ефекту): R0 = R(r0 , S, t, w); L 0 — індуктивність на одиницю довжини, яка залежить від матеріалу проводу (r0), перерізу S, відстані r між проводами, частоти w сигналів і температури середовища t: L0 = L(r0, S, r, t, w); С0 — ємність витоку, що залежить від матеріалу (r0), перерізу проводів S та відстані між ними r: С 0 = С(r 0, S, r); Q 0 — провідність ізоляції, яка залежить від матеріалу ізоляції b, вологості p і частоти сигналів w: Q0 = Q(b, p, w). Параметри R 0, L 0, G 0, Q 0 називають первинними параметрами ліній зв’язку.
Первинні параметри деяких провідників ліній зв’язку наведено в табл. 4.2 (діаметр проводу становить 4 мм).
Крім первинних лінії зв’язку характеризуються вторинними параметрами: хвильовим опором Zc, загасанням b і коефіцієнтом поширення g.
Таблиця 4.2
| Найменування первинного параметра | Одиниця виміру | Тип лінії зв’язку | |||
| Повітряна | Повітряна | Кабельна | |||
| Мідь | Сталь | Мідь | Сталь | ||
| Опір R 0 | Ом/км | 2,84 | 42,2 | ~0,25 | - |
| Індуктивність L 0 | МГн/км | ~2,0 | ~9,0 | ~0,27 | - |
| Ємність C 0 | Ф/км | 6×10-9 | 6×10-9 | 6×10-9 | - |
| Провідність Q0 | Ом-1×км | 7×10-5 | 7×10-5 | 7×10-5 | - |
Примітка. Для чистої міді R0 = 0,17 Ом/км.
Радіоканали широко застосовуються для передавання інформації. За діапазоном частот радіосигналів розрізняють такі канали:
— довгохвильового діапазону (довжина хвилі l > 1000 м);
— середньохвильового діапазону (200 < l < 1000 м);
— проміжного діапазону (50 < l < 200 м);
— короткохвильового діапазону (10 < l < 50 м);
— ультракороткохвильового діапазону (0,0001 < l < 10 м).
Властивості радіоканалу визначаються властивостями відбиття й поглинання радіохвиль земною поверхнею й атмосферою (рис. 4.2).
З усіх шарів атмосфери найбільш істотно на поширення радіохвиль впливає іоносфера (термосфера), яка розташована між висотами 80 і 800 км. Гази в ній здебільшого знаходяться у вигляді заряджених електронів, іонів, атомів і молекул. Їх іонізація є результатом впливу сонячних променів, космічного випромінювання й метеорних часток. Якщо концентрація іонів є великою, гази стають електропровідними.
У деяких шарах іоносфери концентрація вільних електронів досягає різної величини. Відомо чотири такі шари: на висотах 60…80 км (шар D), 100…120 км (шар E), 180…200 км (шар F1), 300…400 км (шар F2) (див. рис.4.2, криві n(H)). Ступінь іонізації істотно залежить від часу доби, активності Сонця. У ночі ступінь іонізації набагато менший, ніж у день. Змінення концентрації іонів з висотою обумовлює неперервне змінення кута заломлень радіохвиль. Внаслідок цього хвилі поширюються криволінійно. Частина хвиль (в основному середні радіо
хвилі) відбивається шаром Е (криві ДХ, СХ), друга частина (в основному короткі хвилі) — шаром F іоносфери (крива КХ), третя частина — «пробиває» обидва шари і виходить за межі земної атмосфери (крива УКХ). Заломлювальна здатність іоносфери неоднакова для різних типів хвиль і зменшується зі зменшенням довжини хвилі. Хвилі, які поширюються внаслідок відбиття від іоносфери, мають назву просторових.
Крім просторових завдяки дифракції (властивості обгинання) мають місце поверхневі хвилі. Чим менша довжина хвилі, тим швидше згасає поверхнева хвиля (внаслідок утрат у земній поверхні) і тим повільніше згасає просторова хвиля. Довгі хвилі повністю відбиваються шаром Е (крива ДХ). Ультракороткі хвилі не зазнають відбиття й надходять за межі земної атмосфери (крива УКХ). Сигнали решти діапазонів відбиваються іонізованими шарами E i F (криві СХ, КХ).
На практиці знаходять широке застосування радіорелейні канали передачі інформації на УКХ. Приймально-передавальні станції розташовуються в межах прямої видимості (рис. 4.3).
Радіорелейна лінія являє собою мережу приймально-передавальних станцій, які приймають сигнали, відтворюють їх і ретранслюють на сусідні станції. Ретранслятори розташовуються в межах прямої видимості. Якщо пряма видимість обмежена тільки кривизною поверхні Землі, то відстань між станціями (ретрансляторами), км, розраховується за формулою
,
де h — висота антенної системи, м.
Ретранслятори (приймально-передавальні станції) можуть бути рухомими, тобто розміщуватися на автомашинах, кораблях, літаках, супутниках тощо.
Радіолінії й радіорелейні лінії зв’язку в багатьох випадках більш економічні, дають можливість швидко організувати наддалеку передачу інформації. Ці лінії, крім того, є єдиним засобом зв’язку з рухомими об’єктами (повітряними та морськими суднами, автомобілями, супутниками та ін.).
У діапазоні радіохвиль крім радіоліній й радіорелейних ліній зв’язку застосовуються хвилевідні лінії зв’язку. Хвилевід являє собою порожнисту металеву трубу, яка використовується для передавання електромагнітної енергії на частотах 35×109…80×109 Гц. Під час передавання у хвилеводі збуджуються кругові хвилі, які наводять у його стінках кільцеві струми. Ці струми забезпечують екранізацію, тобто перешкоджають виходу електромагнітної енергії за межі хвилеводу. Відмітною особливістю хвилевідних каналів є зменшення втрат зі збільшенням частоти. Це дає можливість вести передачу інформації на дуже високих частотах і з меншими втратами порівняно з іншими видами ліній зв’язку.
Економічні розрахунки показують, що при організації до 30000 телефонних каналів доцільним є застосування кабелю, а вище 30000 телефонних каналів – хвилеводу. Ще більшу кількість стандартних каналів можна організувати, використовуючи оптичні лінії зв’язку.
В оптичному каналі передачі інформації як лінії зв’язку використовуються закриті напрямні оптичні системи (світловоди). За діапазоном використовуваних довжин хвиль оптичні канали поділяються на такі:
- канали інфрачервоних хвиль (довжина хвилі 0,75×10–6 < l < 10–4 або 0,75 < l < 100 мкм);
- канали світлових хвиль (видимого спектра 0,38 < l < 0,75 мкм);
- канали ультрафіолетових хвиль (0,005 < l < 0,38 мкм).
Властивості оптичних каналів визначаються оптичним середовищем. Створення оптичних каналів дає можливість передавати інформацію великих обсягів і на надзвичайно далекі відстані.
У техніці також застосовуються пристрої, які працюють з інфрачервоним випромінюванням. Максимум інтенсивності випромінювання більшості тіл припадає на область інфрачервоних хвиль.
