Часть I. Теория нелинейных электрических цепей

1. Задачи курса тэс

Общие сведения о курсе

Курс «Теория электрической связи» (ТЭС) относится к числу фундаментальных дисциплин подготовки высококвалифицированных инженеров, владеющих современными методами анализа и синтеза систем и устройств связи различного назначения. В нем принят единый методологический подход к решению задач электросвязи на основе вероятностных представлений.

Целью курса является изучение основных закономерностей и методов передачи информации по каналам связи. В курсе рассматриваются:

1) способы математического представления сообщений, сигналов и помех;

2) методы формирования сигналов и их преобразования в электрических цепях;

3) вопросы анализа помехоустойчивости и пропускной способности систем электросвязи;

4) методы помехоустойчивого кодирования, оптимального приема сообщений;

5) принципы многоканальной передачи и распределения информации в сетях связи;

6) вопросы оптимизации систем электросвязи.

Курс ТЭС базируется на таких дисциплинах, как высшая математика, физика, теория электрических цепей (ТЭЦ), электроника, квантовые приборы и микроэлектроника, вычислительная техника и программирование.

Курс ТЭС вместе с курсом ТЭЦ составляют теоретическую основу техники связи, элементы которой изучаются в последующих инженерных дисциплинах.

Общие сведения о системах электросвязи

Передача сообщений на расстояние из одного пункта в другой может быть осуществлена с помощью какого-либо материального носителя (бумаги, магнитной ленты, диска, флэш-карты и др.) перемещаемого в пространстве, либо с помощью физического процесса, способного распространятся на расстояния (электрический ток, звуковые и электромагнитные волны и др.). Физический процесс, несущий передаваемое сообщение из точки в точку, называется сигналом.

В процессе передачи по системе связи сообщение может подвергаться многочисленным преобразованиям, существенно меняющим его электрическое представление и физические характеристики. Однако, следует иметь в виду, что объектом передачи является не электрическое представление сообщения, а та полезная информация, содержащаяся в передаваемом сообщении, которая должна оставаться неизменной при всех преобразованиях.

Информацией называется совокупность сведений о каком-либо явлении, событии или объекте, которые увеличивают знания получателя о них.

Если в системах для передачи сообщений в качестве несущих используются электрические или электромагнитные сигналы, то такие системы называются системами электросвязи, в отличие от звуковых, гидроакустических и других систем связи. Обобщенная структурная схема простейшей системы электросвязи изображена на рис. 1.1.

Рисунок 1.1. Обобщенная структурная схема системы связи

Источник сообщения – человек, автомат, ЭВМ, датчик. Сообщениями могут быть: речь (системы телефонной связи); текст (системы телеграфной связи); неподвижное изображение (фототелеграфные системы связи); подвижные изображения (телевизионные системы связи); параметры каких-либо устройств (системы телеметрии); команды управления каким-либо устройствами (системы телеуправления); данные (системы передачи данных).

Кодирующее устройство (кодер) в общем случае осуществляет:

1) преобразование сообщения, поступающего от источника сообщений, в первичный электрический сигнал;

2) преобразование в случае необходимости, непрерывного сигнала в дискретный;

3) статистическое (эффективное) кодирование с целью увеличения скорости передачи информации (устранение избыточности в сообщении);

4) помехоустойчивое кодирование (введение избыточных символов) с целью повышения помехоустойчивости системы связи.

Генератор несущего колебания – формирует электрические колебания, которые являются переносчиком сообщения. Сигналом – переносчиком обычно служит либо гармоническое колебание, либо периодическая последовательность импульсов, либо шумоподобный сигнал.

Модулятор – изменяет один (или несколько) параметров сигнала переносчика в соответствии с модулирующим сообщением, поступающим от кодера. В процессе модуляции могут изменяться амплитуда, частота или фаза гармонической несущей; амплитуда, длительность импульсов, частота следования, фаза импульсного переносчика; тип использования шумоподобного сигнала. Иногда одновременно может осуществляться модуляция нескольких параметров сигнала-переносчика.

Выходное устройство ограничивает спектр частот передаваемого сигнала для устранения помех от соседних по частоте сигналов и увеличения эффективности использования полосы частот; обычно увеличивает мощность сигнала для обеспечения требуемой помехоустойчивости приема информации, передает сигнал в среду распространения. Таким образом, выходное устройство содержит полосовые фильтры, усилитель мощности и излучатель сигнала. Кодирующее устройство, модулятор, генератор несущего колебания и выходное устройство образуют передатчик.

Линия связи – совокупность технических средств (физическая цепь, волновод, кабель и т.п.), либо окружающая среда, через которые сигнал поступает от передатчика к приемнику. В линии связи сигнал претерпевает изменения из-за воздействия помех и искажений.

Помехи – это всякое постороннее воздействие на сигнал, препятствующее правильному приему (флуктуационный тепловой шум, атмосферные помехи, помехи от других передатчиков и т.п.).

Входное устройство – выделяет из линии связи сигнал нужного (требуемого) передатчика и усиливает его до необходимого уровня. Таким образом, входное устройство содержит полосовые фильтры и усилители.

Демодулятор (детектор) – преобразует принятый модулированный сигнал в сообщение, которым осуществлялась модуляция, и содержащее переданную информацию.

Декодер – производит обратное преобразование принятых сигналов (кодовых комбинаций) в исходное сообщение.

Получатель сообщения – человек, автомат, ЭВМ, реле и т. п.

Входное устройство, детектор, декодер образуют приемник.

Основная задача совершенствования систем связи состоит в том, на передаче за счет модуляции и кодирования создать сигнал, наименее подверженный действующим помехам и искажениям, а на приеме за счет фильтрации, детектирования и декодирования выделить передаваемое сообщение с наименьшими искажениями.

Наряду с понятием «система связи» часто оперируют более узким понятием – «канал связи». Это совокупность технических средств (включая линию связи), обеспечивающих передачу сообщений от источника к получателю.

Практика построения систем связи показала экономическую целесообразность использования ее многими абонентами, что приводит к созданию многоканальных систем связи. Это, несомненно, усложняет системы связи, т. к. требует объединения сигналов разных абонентов на передаче и, самое трудное, разделение их на прием без заметных взаимных помех.

Система связи, позволяющая осуществлять передачу сообщений только в одну сторону, называется односторонней (симплексный режим). В случае двухстороннего обмена потребуется система связи для передачи сообщений в противоположном направлении (дуплексный режим).

Практически классической является задача обмена между многими (сотнями и тысячами) отправителей и получателей в самых различных комбинациях. В этом случае используемые системы связи объединяются в сеть связи. Наиболее перспективное построение систем связи (при большом числе абонентов) связано с использованием электронных узлов коммутации, когда связь между абонентами осуществляется через один или несколько узлов коммутации с использованием систем связи различного типа, т. е. сети связи, которая имеет конечной целью передачу любой информации в любую точку страны (мира). Эта информация будет в основном цифровой. Как будет показано далее, цифровой сигнал является универсальным и позволяет передавать все виды сообщений, включая и телевизионные. Коммутация сообщений в сети связи осуществляется с помощью кодированных сигналов и ЭВМ при использовании существующих каналов связи (спутниковых, радиорелейных, кабельных, оптических и др.).

Кодер + Декодер = Кодек

Модулятор + Демодулятор = Модем

Кодер + Декодер + Модулятор + Демодулятор = Кодем