Принципы передачи сообщений электрическими сигналами

Для передачи информации (сообщений) в настоящее время используют электрический ток или напряжение. Как известно, ток бывает постоянным и переменным. Постоянный ток или напряжение не изменяется по величине с течением времени, поэтому передавать сообщения постоянным током невозможно.

Переменный ток обычно изменяется во времени по синусоидному закону и характеризуется амплитудой, периодом и фазой (рис. 2.1). синусоидальные колебания тока часто называют гармоническими. На рис. 2.1 показано изменение напряжения при гармонических колебаниях, U_m - максимальное напряжение – амплитуда, Т – период повторения колебаний. Число колебаний в одну секунду называют частотой и определяют по формуле , Гц,

где Т – период колебаний, с.

Рис.2.1 График гармонических колебаний

Часть периода, определяющую мгновенное значение переменного тока или напряжения, называют фазой и обозначают буквой φ («фи») и измеряют в угловых градусах или радианах. Весь период составляет 360° или 2π радиан. При изменении фазы на 180° и более знак тока или напряжения меняется на обратный.

С помощью переменного тока или напряжения с постоянными параметрами передавать сообщения также невозможно, поэтому для передачи информации применяют изменяющиеся токи или напряжения.

Электрический ток или напряжения, изменяющиеся по закону предаваемого сообщения, называют электрическими сигналами.

Первым принципом передачи сообщений, реализованном на практике, является принцип телеграфии, который состоит в прерывании постоянного тока и получении импульсов тока различной длительности (рис. 2.2) на рисунке t₁ – короткий импульс, t₂ – пауза, t₃ – длинный импульс. С.Морзе создал специальный код для передачи букв и цифр, состоящий из комбинации коротких импульсов («точек») и длинных импульсов («тире»), названный «Азбукой Морзе», который и в настоящее время применяется в телеграфных сообщениях.

Рис. 2.2 Принцип телеграфии

С изобретением радио большое распространение получили принципы передачи сообщений с помощью переменного тока высокой частоты.

Различают токи низкой частоты (звуковые частоты от 16 до 20000 Гц) и высокой (до сотен тысяч Герц).

Наиболее простой способ передачи сообщений – это прерывание колебаний высокой частоты по принципу телеграфии. Этот способ назвали «амплитудной манипуляцией». Она существует с помощью телеграфного ключа. На рис. 2.3 показаны графики изменения сигналов сообщения «u» и тока в антенне передатчика «i_A» при амплитудной манипуляции.

Рис. 2.3 Амплитудная манипуляция

1 – ключ нажат; 2 – ключ отжат; 3 – ключ нажат.

Достоинствами телеграфии и радиотелеграфии являются простота аппаратурной реализации, малый уровень помех и возможность многоканальной связи в радиотелеграфии при выборе различных несущих частот. Недостатком принципа телеграфии является небольшая скорость передачи сообщений с помощью ключа, а также невозможность передачи сложных сигналов (речи, музыки и т.п.)

Наиболее совершенным принципом передачи информации является принцип модуляции, который состоит в изменении какого-либо параметра высокочастотного гармонического колебания по закону передаваемого сообщения.

Высокочастотное колебание называют «несущим», а кривая изменения параметра по закону называются «огибающей».

Так как у гармонического колебания три параметра (амплитуда, частота, фаза), то используют и три вида модуляции – амплитудную, частотную, фазовую (AM, ЧМ, ФМ). Наиболее часто применяют амплитудную и частотную (в радиовещании и телевидении). На рис.2.4 и 2.5 показаны графики изменения сигналов сообщения и токов в антеннах передатчиков при амплитудной и частотной модуляции.

Рис.2.4 Амплитудная модуляция

а – колебания звуковой частоты (первичный сигнал); б – ток в антенне передатчика.

Рис.2.5 Частотная модуляция

а – напряжение звуковой частоты; б – изменение тока в антенне передатчика

Высокая частота несущей выбирается из-за того, что колебания высокой частоты легче (при меньшей мощности) излучаются антеннами радиопередатчиков, а размеры излучателей уменьшаются с повышением частоты несущих колебаний.

Для уменьшения искажений передаваемых сообщений частоты несущих выбирают, по крайней мере, на два порядка выше самой высокой частоты сигнала сообщения.

Достоинства принципа модуляции является возможность передачи сложных сигналов (речи, музыки, изображений), реализации многоканальной беспроводной радиосвязи (выбор различных несущих частот для разных радиостанций). Недостаток – усложнение аппаратуры радиопередающих и радиопринимающих устройств.

Принцип модуляции используется и в импульсных системах передачи информации. Как мы видим ранее, импульсы постоянного тока используются в телеграфии. Там при кодировании сообщений использовались прямоугольные импульсы различной длительности. В импульсных системах используются прямоугольные импульсы с высокой частотой следования, постоянной амплитуды и длительности (рис.2.6).

Рис.2.6 Последовательность импульсов

На рисунке обозначено: U_m – амплитуда импульсов; τ – длительность импульса; T_сл - период следования импульсов.

При передачи непрерывных (…) сигналов сообщения используют различные методы передачи - -изменение амплитуды импульсов высокой частоты следования (амплитудно-импульсная модуляция), частоты следования (частотно-импульсная модуляция), длительности импульса (широтно-импульсная модуляция).

Особо интересную группу импульсных систем передачи информации представляют цифровые системы передачи информации. В этих системах каждое значение сигнала сообщения преобразуется в цифровой код (обычно в двойной системе исчисления), который представляет собой комбинацию импульсов двух уровней – низкого «ноль» и высокого «единица». Выбором разрядности кода можно передавать непрерывные сигналы сообщений с любой заранее выбранной точностью.

Импульсные системы передачи информации отличаются достаточно простой реализацией, точностью передачи сообщений и высокой помехозащищенностью.

Лекция 3