“Основи обробки та передачі інформації”, л.1. Носов В.В.

Лекція 1. Дротяні лінії зв’язку

Навчальні питання

1.Типова функціональна схема обробки інформації в цифрових каналах зв’язку 1

2.Класифікація дротяних ліній зв’язку 4

3.Загальна характеристика дротяних ліній зв’язку 5

4.Волоконно-оптичні кабелі 15

Література-

1. .

Вступ

Продовжуємо вивчення дисципліни "Основи обробки та передачі інформації" (ООПІ), яку почали вивчати в попередньому семестрі. В цьому семестрі дисципліна складається з таких видів і кількості занять:

• 5 лекційних;

• 3 практичних;

• 3 лабораторні роботи.

Перед початком вивчення дисципліни тексти лекцій в електронному вигляді видаються курсантам, що дозволяє лектору на лекційних заняттях лише пояснювати матеріал. На всіх практичних та лабораторних заняттях також передбачається поточний контроль у вигляді письмових “летючок” або тестів.

Вивчення дисципліни закінчується складанням заліку.

В першому питанні згадаємо типову функціональну схему обробки інформації в цифрових каналах зв’язку.

1. Типова функціональна схема обробки інформації в цифрових каналах зв’язку

Функциональная схема, приведенная на рис. 1, иллюстрирует распространение сигнала и этапы его обработки в типовой системе цифровой связи (DCS).

Рис. 1. Функциональная схема типовой системы цифровой связи

Рассмотрим основные блоки обработки сигналов, изображенные на рис. 1; необходимыми для систем DCS являются только этапы форматирования, модуляции, демодуляции/детектирования и синхронизации.

Форматирование (аналого-цифровое преобразование) преобразовывает исходную аналоговую информацию в биты.

Кодирование источника (source coding) — если сигнал аналоговый, то сначала это преобразование аналогового сигнала в цифровой (для аналоговых источников), и потом удаление избыточной (сжатие) информации (эффективное кодирование). Типовая система DCS может использовать либо кодирование источника (для оцифровывания и сжатия исходной информации), либо более простое форматирование (только для оцифровывания). Система не может одновременно применять и кодирование источника, и форматирование, поскольку первое уже включает необходимый этап оцифровывания информации.

Шифрование — это преобразование потока битов с целью обеспечения секретности связи, предотвращает раскрытие информации для несанкционированного получателя.

Канальное кодирование (channel coding), ещё называемое помехоустойчивым кодированием – преобразование потока битов в канальные символы (кодовые символы) для борьбы с ошибками, возникающими из-за воздействия помех в канале связи.

Процедуры уплотнения (multiplexing) и множественного доступа (multiple access) объединяют сигналы, которые могут иметь различные характеристики или могут поступать от разных источников, с тем, чтобы они могли совместно использовать часть ресурсов связи (например, спектр, время).

Модуляция — это процесс, посредством которого символы сообщений или канальные символы (если используется канальное кодирование) преобразуются в сигналы (для импульсной модуляции – в импульсы), совместимые с требованиями, налагаемыми каналом передачи данных.

При использовании импульсной модуляции результирующий двоичный сигнал называется РСМ-сигналом (pulse-code modulation — импульсно-кодовая модуляция).

В любой электронной реализации поток битов, предшествующий импульсной модуляции, представляется уровнями напряжений. Может возникнуть вопрос, почему существует отдельный блок для импульсной модуляции, когда фактически уровни напряжения для двоичных нулей и единиц уже можно рассматривать как идеальные прямоугольные импульсы, длительность каждого из которых равна времени передачи одного бита?

Существует два важных отличия между подобными уровнями напряжения и видеосигналами, используемыми для модуляции. Во-первых, блок импульсной модуляции позволяет использовать бинарные и М-арные сигналы. Во-вторых, фильтрация, производимая в блоке импульсной модуляции, формирует импульсы, длительность которых больше времени передачи одного бита. Фильтрация позволяет использовать импульсы большей длительности, таким образом, импульсы расширяются на соседние временные интервалы передачи битов. Этот процесс иногда называется формированием импульсов, он используется для поддержания полосы передачи в пределах некоторой желаемой области спектра.

Для систем передачи радиочастотного диапазона следующим важным этапом является полосовая модуляция (bandpass modulation), она необходима всегда, когда среда передачи не поддерживает распространение сигналов, имеющих форму импульсов. В таких случаях среда требует полосового сигнала s_i(t), где i = 1, ..., М. Термин "полосовой" (bandpass) используется для отражения того, что видеосигнал g_i(t) сдвинут несущим колебанием на частоту, которая гораздо больше частоты спектральных составляющих g_i(t).

Расширение спектра частот (frequency spreading) может формировать сигнал, относительно неуязвимый для интерференции (как естественной, так и умышленной), и может использоваться для повышения конфиденциальности сеанса связи. Также расширение спектра частоты является технологией, используемой для множественного доступа.

Далее сигнал s_i(t) проходит через канал, причем связь между входным и выходным сигналами канала полностью определяется импульсной характеристикой канала h_c(t). Кроме того, в различных точках вдоль маршрута передачи дополнительные случайные шумы искажают принятый сигнал r(t), поэтому прием должен выражаться через поврежденную версию сигнала s_i(t), поступающего от передатчика. Принятый сигнал r(t) можно выразить следующим образом

r(t) = s_i(t)*h_c(t) + n(t), i = 1,..., M, (1)

где знак "*" представляет собой операцию свертки, a n(t) — случайный процесс.

При обработке полученного сигнала в приёмном устройстве входной каскад приемника и/или демодулятор обеспечивают понижение частоты каждого полосового сигнала r(t). В качестве подготовки к детектированию демодулятор восстанавливает r(t) в виде оптимальной огибающей видеосигнала z(t).

Обычно с приемником и демодулятором связано несколько фильтров — фильтрование производится для удаления нежелательных высокочастотных составляющих (в процессе преобразования полосового сигнала в видеосигнал) и формирования импульса. Выравнивание можно описать как разновидность фильтрации, используемой в демодуляторе (или после демодулятора) для удаления всех эффектов ухудшения качества сигнала, причиной которых мог быть канал.

Выравнивание (equalization) необходимо в том случае, если импульсная характеристика канала h_c(t) настолько плоха, что принимаемый сигнал сильно искажен. Эквалайзер (устройство выравнивания) необходим для компенсации (т.е. для удаления или ослабления) всех искажений сигнала, вызванных неидеальной характеристикой h_c(t).

И последнее, на этапе дискретизации сформированный импульс z(t) преобразовывается в выборку z(T) для восстановления (приблизительно) символа канала u^{^}_i или символа сообщения m^{^}_i (если не используется канальное кодирование). Некоторые авторы используют термины "демодуляция" и "детектирование" как синонимы. В данном случае под демодуляцией (demodulation) подразумевается восстановление сигнала (полосового импульса), а под детектированием (detection) — принятие решения относительно цифрового значения этого сигнала.

Остальные этапы обработки сигнала в модеме являются необязательными и направлены на обеспечение специфических системных нужд.

Блоки обработки сигналов, показанные на рис. 1, представляют типовую функциональную схему системы цифровой связи; впрочем, эти блоки иногда реализуются в несколько ином порядке. Например, уплотнение может происходить до канального кодирования или модуляции либо — при двухэтапном процессе модуляции (поднесущая и несущая) — оно может выполняться между двумя этапами модуляции. Подобным образом блок расширения спектра частот может находиться в различных местах верхнего ряда рис. 1; точное его местонахождение зависит от конкретной используемой технологии.

Синхронизация и ее ключевой элемент, синхронизирующий сигнал, задействованы во всех этапах обработки сигнала в системе DCS. Для простоты блок синхронизации на рис. 1 показан безотносительно к чему-либо, хотя фактически он участвует в регулировании операций практически в каждом блоке, приведенном на рисунке.