Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ВвС.pdf
Скачиваний:
179
Добавлен:
11.05.2015
Размер:
5.17 Mб
Скачать

кодирования с исправлением ошибок, способов модуляции и повышение уровня (мощности) сигнала, что не всегда возможно.

5.5. Полоса пропускания, информационная и техническая скорости передачи, пропускная способность канала

При передачи дискретных сигналов, полученных в том числе и путем преобразования аналоговых сигналов в дискретные, приходится сталкиваться с двумя различными понятиями скорости передачи: технической и информационной. Техническая скорость характеризует быстродействие аппаратуры, входящей в состав передающей части системы связи. Она определяется количеством элементов (посылок, символов) дискретного сообщения, передаваемых за секунду. Эта характеристика была предложена более 130 лет назад для оценки скорости передачи телеграфных посылок французским изобретателем Ж. Бодо. В его честь единица технической скорости в 1927 г. была названа Бодом.

Техническая скорость передачи (или скорость модуляции) определяется величиной

R =1/τ0 , Бод,

(5.9)

где τ0 – длительность посылки (в секундах) соответствующей передаче

одного элемента дискретного сообщения.

Под информационной скоростью C0 понимают количество информации,

поступившее по линии связи от источника информации к получателю за одну секунду. Измеряется она числом двоичных единиц (бит) в секунду. Информационная скорость зависит от ряда факторов: технической скорости передачи, статистических свойств источника, типа канала связи и применяемых методов кодирования для обеспечения требуемой помехозащищенности.

Техническую скорость передачи нельзя путать с информационной, а термин «бод» использовать как синоним термина «бит/с». Количественно эти скорости совпадают только для бинарных симметричных каналов с высокой достоверностью передачи. Другими словами, при передаче двухуровневых сигналов (см. рис. 5.4), когда каждая посылка несет 1 бит информации, можно, учитывая выражения (5.4) и (5.9), записать

C0 (бит/с)= R (Бод) =1/τ0 .

(5.10)

Важно установить взаимосвязь между полосой пропускания канала F и скоростью передачи информации. В 1928 г. американский физик Г.Найквист доказал, что в идеальном канале (без шумов) с полосой F (Гц) можно передавать информацию со скоростью в два раза большей, т.е.

C0 = 2 F , бит/с.

(5.11)

49

В этом случае скорость передачи информации C0 равна технической

скорости R . Так, например, по каналу тональной частоты, полоса пропускания которого 0,3…3,4 кГц, т.е. 3,1 кГц можно передавать данные со скоростью C0 = 2 3,1 = 6,2 кбит/с, что соответствует технической скорости 6,2 кБод.

С появлением в технике связи недвоичных многоуровневых сигналов с разными амплитудами (±1, ±3 и т.д.), было предложено скорости источников и преобразователей информации по-прежнему измерять в бит/с, а скорости передачи электромагнитных сигналов (символов) по линии связи, в том числе радиолиниям – в бодах или симв./с.

Применение многоуровневых сигналов позволяет при заданной (ограниченной) полосе частот канала увеличить исходную скорость передачи данных. Для этого расположенные рядом биты объединяются в группы (символы), различительным признаком которых является, например, уровень напряжения. Так, для увеличения информационной скорости передачи в 2 раза необходимо в группы обьединять по два бита (дибиты) с уменьшенной в два раза длительностью, а их взаимное сочетание в группе 00, 01, 10 и 11 передавать четырьмя уровнями -1, -3, +1, +3 соответственно. В результате сигнал на рис. 5.4,б станет многоуровневым и каждый символ будет передавать 2 бита информации. При объединении в группы по 3 бита (трибиты) скорость данных можно увеличить в 3 раза, а число уровней для распознавания их сочетаний потребуется равным 8. Скорость передачи данных информации C0 и

символьная скорость R в этом случае связанны соотношением

C0 = 2 F log 2 L = 2 F l = R l =1/τC l бит/с,

(5.12)

где R – символьная скорость, симв/с (или Бод), L – число уровней,

l – число бит в символе.

Если длительность символов при многоуровневой передаче на меняется (τC =τ0 ), то скорость передачи данных C0 увеличивается в l = log2 L раз. С

другой стороны, если исходная (информационная) скорость принята фиксированной, то символьная скорость R =C0 / log2 L и, следовательно,

ширина полосы пропускания канала за счет многоуровневой передачи могут быть уменьшены в l раз. Отметим, что многоуровневые методы передачи в настоящее время широко используются как в системах проводной связи, например, модемах, так и в системах наземной и спутниковой радиосвязи, радиовещания и телевидения.

При использовании модуляции несущего колебания данными для согласования с каналом тональной частоты используют модемы (модулятор – демодулятор) у абонента и на АТС, при этом

R =C0 / log2 M = 2 F log2 L / log2 M , симв/с.

(5.13)

50

где M – число значений амплитуды и фазы несущего колебания. Для большинства используемых видов модуляции

C0 (бит/с)= R (симв/с) log2 M (бит/симв).

Отсюда можно определить необходимое количество амплитуд и фаз для обеспечения требуемой информационной скорости C0 при заданной

(ограниченной полосой канала) символьной скорости R :

M = 2C0 / R

Телефонный модем – модем это устройство преобразующее двоичные импульсные сигналы (данные), например, поступающие из компьютера, в аналоговые сигналы, пригодные для передачи по телефонным каналам связи. С целью обеспечения максимальной скорости и высокой помехоустойчивости в современных модемах используются сложнейшие процессы преобразования сигналов – многопозиционная модуляция различные виды кодирования.

Так как при модуляции появляются две боковые полосы, которые должны быть не шире FК канала, т.е. FК = 2 F и при L = M , символьная скорость

равна полосе канала. На практике расчет R ведется с учетом коэффициента расширения полосы.

Если взять несущую частоту f Н равной 1,8 кГц и две боковые полосы со

значением f Н ±1,2

кГц, то полоса канала составит 2,4

кГц и при М =16

скорость передачи

составит R = 2400 симв/с (или Бод),

а информационная

скорость будет равна

 

C0 = R log2 M = 2400 4 =9,6 кбит/с.

С такой скоростью работают модемы по дуплексному протоколу V.32. В этом случае на 1 символ приходится 4 бита информации. При увеличении числа амплитуд и фаз модулированного колебания до М =128 информационная скорость в модеме может быть увеличена до 16,8 кбит/с (каждый символ будет передавать информацию о 7 битах). Однако с увеличением числа М принимаемый символ под действием помех исказится и будет принят на приемной стороне с другой амплитудой, т.е. с ростом М снижается помехозащищенность системы передачи. Поэтому необходимо увеличивать мощность сигнала (отношение сигнал/шум), что имеет свои ограничения, либо использовать каналы с меньшим уровнем шумов и, прежде всего, шумов квантования.

Таким образом, хотя в формуле Г. Найквиста шумы и помехи в явном виде не отражены, но их действие интуитивно понятно и ограничивает возможность увеличения C0 за счет увеличения М .

51

В 1948 г. американский математик К. Шеннон опубликовал ряд работ по математической теории информации, среди которых была теорема, устанавливающая границу объема информации, которую можно передавать по каналу с определенным уровнем белого шума. Формула, описывающая это ограничение, чрезвычайно проста, тем не менее на протяжении многих лет ею руководствуются при определении предельной пропускной способности канала:

Cк = ∆Fк log2 (1 + Pc / Pш) = ∆Fк (10 / 3) log10 (1 + Pc / Pш) , бит/с, (5.14)

где Fк – ширина полосы канала, Гц;

Pc и Pш – средние мощности сигнала и шума.

Поскольку Pc / Pш – отношение сигнал/шум (ОСШ) задается обычно в децибелах ОСШ=10lg(Pc / Pш) , то выражение для Cк (бит/с) можно записать в следующем виде

C

к

= ∆F (10 / 3) log

10

(1+10

0,1ОСШ ) = ∆F (10 / 3) 0,1 ОСШ ,

(5.15)

 

к

 

к

 

которое получено с учетом того, что ОСШ >> 1.

Современные кодеки (кодирующие и декодирующие устройства), используемые в телефонных сетях, имеют значение ОСШ=39,5 дБ (теоретический предел защищенности от шумов квантования), практически же обеспечивается 35-36 дБ. Следовательно, канал с полосой 3,1 кГц и ОСШ=35 дБ имеет предельную пропускную способность, равную

Cк =3,1 (10 / 3) 0,1 35 36 кбит/с,

при которой обеспечивается безошибочный прием.

Таким образом, шумы и квантование (ОСШ=35 дБ) ограничивает скорость передачи информации C0 значением 36 кбит/с, т.е. она не может быть больше

пропускной способности канала Cк . В современных модемах достигнута скорость 56 кбит/с при передачи цифровых данных с ОСШ ≈ 57 дБ.

52

Рис. 5.7. Воздействие шума на цифровой сигнал

Почему шум ограничивает скорость передачи? При увеличении скорости биты становятся «короче». Поэтому при данном уровне шума поражается большее количество битов. Значит чем выше скорость передачи при заданном уровне шума, тем выше уровень ошибок. Пропускная способность, полученная по формуле Шеннона, называется безошибочной. Пример воздействия шума на сигнал показан на рис. 5.7. Здесь шум складывается из фоновых помех относительно умеренного уровня и случайных всплесков импульсных помех. Цифровую информацию можно восстановить из сигнала путем дискретизации полученной формы сигнала. Из рисунка видно что уровень шума оказался достаточным для ошибочного приема двух битовых посылок.

Протоколы. Для обмена данными между компьютерами разработаны специальные правила обмена, называемые протоколами. Они определяют алгоритм взаимодействия устройств, программ, систем обработки данных, процессов или пользователей. Так, протоколы линий связи – это правила, регламентирующие структуру и методы кодирования данных в процессе их передачи по линиям связи. Протоколы международной компьютерной сети Интернет (так называемые IP – протоколы) определяют правила взаимодействия между собой как объеденных в Интернете региональных сетей, так и подключенных к сети отдельных компьютеров.

53

Для работы компьютеров с разными видами алфавитов и цифр, знаков препинания, разделения и других вспомогательных знаков требуется 128 отличительных признаков и, следовательно, для их представления требуется log2 128 = 7 бит, т.е. кодовая комбинация (слово), состоящее из 7 разрядного

двоичного числа. Добавляя для контроля восьмой бит, получаем кодовую комбинацию из 8 бит. В вычислительной технике и других системах обработки (записи, хранения и передачи) данных объединение из восьми соседних двоичных разрядов, с которыми компьютер оперирует как с одним целым, называется байтом (пример восьмиразрядной кодовой комбинации – байта приведен на рис. 5.4,б).

Первичное преобразование сообщения в сигнал. В соответствии со структурной схемой передачи сообщений (см.рис.) на входе и выходе системы электросвязи включаются устройства, осуществляющие преобразование сообщения в электрический сигнал и затем обратное преобразование. Рассмотрим принцип работы таких преобразователей, носящих название первичных, и характеристики сигналов электросвязи, называемых обычно первичными сигналами. В соответствии с этим преобразование сообщений в электрические сигналы и сигналов в сообщения носит название первичного преобразования.

а)

54

б)

Рис.5. 8. Преобразование звукового сообщения в электрический сигнал (а) и обратно (б)

Роль устройства, преобразующего телефонный сигнал в звуковое сообщение, выполняет телефон (см. рис. 5.8,б) – подковообразный магнит, на полюсах которого размещены две катушки, а перед полюсами укреплена металлическая мембрана. Параметры слухового восприятия и спектра акустических сигналов речи и музыки приведены на рис. 5.9 и 5.10.

Рис. 5.9. Область слухового восприятия

55

Рис. 5.10. Акустический спектр речи и музыки

В телевидении первичное преобразование сообщения в сигнал осуществляется в передающей телевизионной трубке. Оптическое изображение передаваемой сцены фокусируется с помощью объектива на светочувствительной поверхности (мишени) такой трубки. Трубка имеет электронный прожектор, который вырабатывает электронный луч. Последний движется по мишени одновременно в двух направления – с большой скоростью по строкам и гораздо медленнее перпендикулярно к ним, для того чтобы успеть передать поочередно за время одного кадра сигналы от всех строк (т.е. всех элементов изображения находящихся на строках).

Первая передающая телевизионная трубка в СССР, предложенная в 1931 г. С.И. Катаевым и названная иконоскопом, применялась на телецентрах с 1937 г. по 1950 г. На смену ей пришел супериконоскоп, предложенный в 1933 г. П.В. Шмаковым и П.В. Тимофеевым, обладавший более высокой чувствительностью. С 1950 г. широко применяются более совершенные трубки

– суперортикон и видикон. На рис. 5.11,а показано устройство суперортикона. Объектив проецирует изображение на фотокатод ФК, который под действием света излучает фотоэлектроны. В сечении этого потока фотоэлектронов их количество распределено в соответствии с освещенностью фотокатода (это распределение называется электронным изображением). Фотоэлектроны под действием ускоряющего электрического поля, созданного ускоряющим электродом УЭ, проходят сквозь сетку С и бомбардируют

поверхность мишени М (стеклянная пленка толщиной 5…15 мкм).

56

а)

б)

Рис. 5.11. Передающая (а) и приемная (б) телевизионные трубки

Вторичные электроны, выбитые из мишени фотоэлектронами, собираются сеткой, оставляя на этой стороне мишени потенциальный рельеф из положительных зарядов. Так как мишень тонкая, то на другой ее стороне также имеется этот рельеф. Электронный луч, созданный электронным прожектором ЭП и сфокусированный системой Ф, пробегает под действием отклоняющей системы ОС по строкам мишени. При этом часть электронов луча переходит на мишень и нейтрализует ее положительный заряд. Благодаря действию замедляющего электрода ЗЭ электроны луча подходят к мишени с малой скоростью. Отдав часть своих электронов мишени, электронный луч поворачивает обратно, образуя обратный луч, который идет параллельно прямому лучу в сторону электронного прожектора и попадает на фотоэлектронный умножитель ФЭУ.

Таким образом, ток обратного луча, снимаемый с суперортикона, меняется в зависимости от того, сколько электронов перешло из луча на тот или иной элемент мишени. А это, в свою очередь, зависит от числа вторичных электронов, выбитых из элемента мишени фотоэлектронами с фотокатода.

57

Количество же фотоэлектронов, излучаемых каким-либо участком фотокатода, определяется освещенностью этого участка.

Итак, в передающей телевизионной трубке осуществляется разложение изображения на элементы и преобразование их яркости в электрический сигнал (видеосигнал) с пропорциональной амплитудой. В современных передающих ТВ камерах в основном используются твердотельные передающие трубки – приборы с зарядовой связью.

Преобразование электрического сигнала в сообщение (сигнала в свет) происходит в приемной телевизионной трубке (кинескопе), приведенной на рис. 5.11,б.

Электронный прожектор ЭП создает электронный луч, который фокусируется специальной системой Ф и с помощью отклоняющей системы ОС прочерчивает на экране строки. Экран состоит из люминофора Л, нанесенного на внутреннюю поверхность стекла. При электронной бомбардировке происходит свечение люминофора, яркость которого зависит от величины тока электронного луча. Ток электронного луча, а следовательно, и яркость свечения экрана зависят от видеосигнала, поступающего на модулятор М или катод кинескопа.

Во время смены строк и кадров (т.е на обратном ходу луча по строкам и кадрам) развертывающий луч приемной трубки должен быть погашен. Кроме того, необходимо синхронизировать лучи приемной и передающей трубок. Таким образом, кроме сигнала изображения необходимо передавать вспомогательные управляющие импульсы (гасящие и синхронизирующие). Электрический сигнал, включающий в себя сигнал изображения и управляющие импульсы, называется полным телевизионным сигналом.

Спектр телевизионного сигнала по принятому в стране стандарту занимает

полосу частот 0…6 106 Гц. В системах цветного телевидения передаваемое оптическое изображение разделяется с помощью светофильтров на три одноцветных изображения – красное, зеленое и синее. Красные, зеленые и синие лучи попадают каждый на свою телевизионную трубку. В приемном устройстве путем сложения трех одноцветных изображений воспроизводится передаваемое цветное изображение. Почему красный, зеленый, синий? И вообще, почему мы видим цвет? Предметы, которые мы видим как цветные, воспринимаются так потому, что они отражают электромагнитные волны определенного диапазона. Наш глаз воспринимает длины волн в диапазоне от 380 до 780 нм. На светочувствительной поверхности глаза находятся светочувствительные клетки – это колбочки и палочки (130 млн. цилиндрических палочек и 6 млн. выпуклых колбочек). Колбочки активны только при дневном свете, а палочки при пониженном освещении и позволяют нам получать информацию только о яркости. Колбочки содержат три фоточувствительных химических соединения, каждое из которых обладает чувствительностью только в трех широких областях светового спектра. Вот почему и в телевидении были выбраны эти цвета как основные. Благодаря свойствам зрения в цветном телевидении на экране кинескопа воспроизводится только три 3 цветоделенных изображения (красного, зеленого и синего цветов),

58

которые, пространственно смешиваясь, вызывают ощущение любого передаваемого со студии цвета. Другими словами, на экране воспроизводятся цвета с совершенно другими спектральными составами. Это свойства зрения, получившее названия метамеризм, и позволило создать системы отображения цветных изображений (телевидение, кино, печать и др.).

59