Васюков В_Н_ Теория электрической связи_

В.Н. ВАСЮКОВ

ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

НОВОСИБИРСК

2005

4	ПРЕДИСЛОВИЕ

УДК 621.391(075.8) В 201

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. А.Г. Вострецов, д-р техн. наук, проф. И.С. Грузман

Васюков, В. Н.

В 201 Теория электрической связи : учебник / В. Н. Васюков. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2005. – 392 с. («Учебники НГТУ»).

ISBN 5-7782-0541-4

Учебник содержит изложение основных вопросов теории электрической связи.

Учебник рассчитан на студентов II–III курсов, обучающихся по специальностям «Средства связи с подвижными объектами» и «Многоканальные телекоммуникационные системы», и может быть полезен студентам других направлений и специальностей.

УДК 621.391(075.8)

ISBN 5-7782-0541-4	© В.Н. Васюков, 2005
	© Новосибирский государственный
	технический университет, 2005

ПРЕДИСЛОВИЕ

истемы связи (системы телекоммуникаций, системы пере- Сдачи информации) в настоящее время переживают этап бурного развития. Достаточно упомянуть такие достижения конца ХХ века, как глобальная сеть Интернет, спутниковая связь, общедоступная мобильная (сотовая) связь, чтобы оценить уровень и темпы развития техники телекоммуникаций. Этим обусловливается потребность в подготовке высококвалифицированных специалистов в области связи. Есть все основания полагать, что и в бли-

жайшем будущем эта тенденция сохранится.

В подготовке инженеров-связистов и бакалавров по направлению 550400 – «Телекоммуникации» фундаментальную роль играет дисциплина «Теория электрической связи», включенная в Государственный образовательный стандарт в раздел «Общепрофессиональные дисциплины (федеральный компонент)». Предлагаемый учебник является попыткой восполнить недостаток учебной литературы по теории электрической связи.

Теория электрической связи, по мнению автора, представляет собой систему взаимосвязанных положений, взглядов, концепций, составляющих основу мировоззрения специалиста в области телекоммуникаций. Изучение этой теории, в частности, должно дать человеку твердое, научно обоснованное представление о том, что в области связи можно сделать, а чего нельзя ни при каком уровне развития технологии. Кроме того, теоретические положения должны быть подкреплены конкретными образцами их применения на практике.

Эта точка зрения в совокупности с ограниченным объемом определила отбор материала для данного учебника. Сравнительно большое внимание уделено принципиальным вопросам теории сигналов и линейных стационарных цепей, включая концепцию пространства сигналов, ряд и интеграл Фурье, теорему отсчетов,

6	ПРЕДИСЛОВИЕ

понятие аналитического сигнала, случайные процессы, основы теории информации и др. Модуляция и демодуляция, экономное (статистическое) и помехоустойчивое кодирование, основы теории помехоустойчивости и некоторые другие вопросы рассмотрены главным образом на уровне идей с подробным изложением частных примеров для усвоения основных понятий, с учетом того, что многочисленные, в том числе технические, подробности этих тем будут изучаться в последующих дисциплинах учебного плана.

Автор выражает глубокую признательность д-ру техн. наук, проф. И.С. Грузману, канд. техн. наук, проф. А.Н. Яковлеву, студентам А.Н. Подовинникову и Д.В. Семенову, взявшим на себя нелегкий труд чтения рукописи и высказавшим много полезных замечаний и предложений по улучшению учебника.

1.1. Общие сведения о системах электрической связи	7

1. ВВЕДЕНИЕ. СИСТЕМЫ СВЯЗИ, СИГНАЛЫ, КАНАЛЫ СВЯЗИ

1.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

истемы связи предназначены для передачи Синформации. Информация1 передается по-

средством сообщений. Таким образом, сообщение – форма пред-

ставления информации. Примерами сообщений могут служить текст телеграммы, фраза в телефонном разговоре, последовательность цифр при передаче данных, изображение в системе фототелеграфии, последовательность изображений (кадров) в системе те-

левидения и т.п. Сообщение представляет собой совокупность знаков (символов). Например, текст телеграммы состоит из букв,

цифр, пробелов и специальных знаков, а телеграфное сообщение, готовое для передачи по каналу связи, – из канальных символов (например, из «точек», «тире» и пауз при использовании «азбуки Морзе»). В системе черно-белого телевидения сообщением является последовательность кадров, каждый из которых, в свою очередь, представляет собой последовательность значений яркости, упорядоченных согласно схеме телевизионной развертки. В телефонии сообщение – непрерывная последовательность значений напряжения (тока), отображающая изменение во времени звукового давления на мембрану микрофона.

Из приведенных примеров становится ясно, что сообщения могут быть дискретными (состоящими из символов, принадлежащих конечному множеству – алфавиту) или непрерывными (континуальными, аналоговыми), описываемыми функциями непрерывного времени.

1 О содержании понятия информации см. разд. 8.

81. ВВЕДЕНИЕ. СИСТЕМЫ СВЯЗИ, СИГНАЛЫ, КАНАЛЫ СВЯЗИ

Для передачи сообщения необходим материальный носитель, называемый сигналом. Сигналом может быть свет костра, удар барабана, звук речи или свистка, предмет, находящийся в условленном месте, взмах флажка или шпаги и т.п. В радиотехнике и электрической связи используются электрические сигналы, которые благодаря простоте их генерирования и преобразования наилучшим образом приспособлены для передачи больших объемов данных на большие расстояния. Заметим, что в современных каналах связи и устройствах хранения данных электрические сигналы зачастую преобразуются в оптические или магнитные, но, как правило, предполагается их обратное преобразование.

Естественной формой представления сигнала считается его описание некоторой функцией времени (зависимой переменной чаще всего является напряжение или ток). Сигналы, как и сообщения, могут быть дискретными или континуальными в зависимости от того, рассматриваются ли они как функции дискретного или непрерывного времени. Зависимая переменная также может быть дискретной или непрерывной, в соответствии с чем можно различать четыре типа сигналов (рис. 1.1).

u(t)

u(t)

u[n]

u[n]

а	б	в	г
	Рис. 1.1. Типы сигналов:

а – аналоговый, б – квантованный, в – дискретный, г – цифровой

Современная система связи представляет собой сложную совокупность устройств, выполняющих преобразования сообщений

исигналов с целью наиболее эффективной передачи информации. К показателям эффективности относятся достоверность (верность)

искорость передачи информации, а также некоторые другие величины. Упрощенная схема системы передачи информации (системы связи) показана на рис. 1.2.

Само назначение системы связи предполагает наличие источника и получателя сообщений. Источник сообщений ИС порожда-

ет сообщение a , которое преобразуется преобразователем Пр1 в сигнал b(t) , называемый первичным сигналом. Например, в систе-

1.1. Общие сведения о системах электрической связи

9

ме телефонии преобразователем служит микрофон, в системе телевидения – передающая телевизионная камера. Первичный сигнал,

как правило, непригоден для непосредственной передачи2, поэтому он поступает на модулятор3 М, где используется для модуляции

другого колебания s(t) , более подходящего для передачи и назы-

ваемого переносчиком или несущим колебанием. Модуляция озна-

чает изменение одного или нескольких параметров сигналапереносчика в соответствии с изменением первичного сигнала (или с передаваемым сообщением). Следует отметить, что дискретное сообщение не обязательно должно передаваться дискретным сигналом, а непрерывное – аналоговым. Наоборот, для современных систем связи характерна передача, например, аналоговых сообщений цифровыми сигналами; цифровые первичные сигналы применяют для модуляции аналоговых несущих колебаний и т.д.

a	b(t)	u(t)	z(t)
				b(t)	a

ИС	Пр1	М	ЛС	ДМ	Пр2	ПС
	s(t)		помехи
	Рис. 1.2. Структурная схема системы связи

Модулированный сигнал u(t) поступает в линию связи ЛС, ко-

торая по своим физическим свойствам пригодна для передачи сигнала к приемнику и в которой происходит его искажение под влиянием характеристик линии, а также неизбежное воздействие на сигнал вредных колебаний (помех). Вследствие этого колебание z(t) , поступающее с выхода линии связи ЛС на демодулятор4 ДМ,

отличается от переданного сигнала u(t) , поэтому вырабатываемый

демодулятором сигнал b (t) в общем случае отличается от первич-

ного сигнала b(t) . Качество демодулятора (и системы в целом) тем

выше, чем меньше это отличие. Сигнал b (t) преобразуется преоб-

разователем Пр2 в сообщение a , передаваемое получателю сооб-

2 В простых системах проводной телефонии первичный сигнал может передавать-

ся непосредственно.

3 Это устройство часто называют передатчиком; тогда модулятором называют ту часть передатчика, где происходит собственно модуляция, т.е. управление параметрами несущего колебания.

4Модулятор и демодулятор часто конструктивно объединяют в одно устройство –

модéм.

10	1. ВВЕДЕНИЕ. СИСТЕМЫ СВЯЗИ, СИГНАЛЫ, КАНАЛЫ СВЯЗИ

щения ПС. В радиовещании роль подобного преобразователя играет громкоговоритель, в телевидении – кинескоп и т.д.

Рассмотренная структура системы связи является простейшей и

сравнительно редко применяется на практике. В современных системах связи сообщение перед передачей часто кодируется, при

этом последовательность символов, порождаемая источником (т.е. собственно сообщение), преобразуется кодером К (рис. 1.3) в по-

следовательность кодовых символов, которая в виде цифрового сигнала bц (t) поступает в модулятор. После прохождения по кана-

лу связи и демодуляции полученная кодовая последовательность декодируется декодером5 ДК, при этом восстанавливается сооб-

щение a , которое может отличаться от исходного. Кодирование

производится для повышения скорости передачи информации (экономное, или энтропийное, кодирование6) либо уменьшения

вероятности ошибки при приеме сообщения (помехоустойчивое кодирование). Целью кодирования может быть также согласование

формы передаваемого сообщения с каналом связи. Примером последнего служит кодирование цифробуквенного телеграфного со-

общения кодом Морзе. Совокупность всех кодовых символов данного кода называется кодовым алфавитом. Количество символов в кодовом алфавите называют основанием кода. Например, код Мор-

зе имеет основание 3. Код Бодо, алфавит которого состоит из символов 0 и 1, имеет основание 2.

Обычно один символ исходного сообщения (например, буква в

телеграфном сообщении) заменяется последовательностью кодовых символов (кодовой комбинацией, кодовым словом). Кодом на-

зывается совокупность всех допустимых кодовых комбинаций. Если каждый символ сообщения заменяется при кодировании

одинаковым количеством кодовых символов (т.е. все кодовые слова имеют равную длину), то код называется равномерным, иначе – неравномерным. Длину кодовой комбинации равномерного кода

называют его разрядностью.

a

bц(t)

u(t)

z(t)

bц(t)

a

ИС

К

М

ЛС

ДМ

ДК

ПС

Рис. 1.3. Упрощенная структура дискретной системы связи с кодированием

5Часто кодер и декодер конструктивно объединяются в одно устройство, называемое кóдеком.

6 Используются также термины сжатие и статистическое кодирование.

1.1. Общие сведения о системах электрической связи

11

С кодированием не следует путать шифрование сообщений,

иногда применяемое в современных системах связи. Цель шифро-

вания состоит в предотвращении несанкционированного извлечения или преднамеренного изменения информации. При зашифровании

производится замена открытого сообщения шифрограммой (шифртекстом), а при расшифровании происходит обратное преобразова-

ние. Шифрование выполняется до преобразования сообщения в первичный сигнал или в кодовую последовательность.

Таким образом, для модуляции в зависимости от сложности системы применяется первичный сигнал или последовательность кодовых символов. В качестве переносчика часто используют гар-

моническое колебание Acos( t	) , которое имеет три параметра:
амплитуду A , круговую частоту	2 f и начальную фазу . По-

этому возможны три вида модуляции гармонического переносчика аналоговым сигналом: амплитудная модуляция (АМ), частотная модуляция (ЧМ) либо фазовая модуляция (ФМ)7, рис. 1.4.

Во многих случаях роль переносчика в системах связи играет периодическая последовательность импульсов одинаковой формы (часто импульсы считают в первом приближении прямоугольными8). При заданной форме импульсов последовательность характеризуется амплитудным (пиковым) значением, длительностью импульсов и периодом повторения. Поэтому при аналоговом первичном сигнале различают:

–амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ), при которой по закону изменения первичного сигнала изменяется амплитуда импульсов;

–широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), при которой изменяется длительность («ширина») импульсов9;

u(t)	u((tt))	u((tt))
		t
а	б	в

u((tt))

г

Рис. 1.4. Несущее гармоническое колебание (а) и получаемые на его основе модулированные сигналы: АМ (б), ЧМ (в) и ФМ (г)

7Два последних вида модуляции часто объединяют под общим названием угловая модуляция.

8 Как станет ясно в дальнейшем, строго прямоугольные импульсы на практике получить невозможно.

9 ШИМ также называют ДИМ, от слова длительность.

121. ВВЕДЕНИЕ. СИСТЕМЫ СВЯЗИ, СИГНАЛЫ, КАНАЛЫ СВЯЗИ

–времяимпульсную модуляцию (ВИМ), при которой изменяется время задержки импульсов относительно среднего положения;

–частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ), когда в такт с первичным сигналом изменяется частота следования импульсов.

Широко применяют также модуляцию гармонического колебания квантованным (цифровым) первичным сигналом. Различают три вида дискретной (цифровой) модуляции (манипуляции): амплитудную (ДАМ, ЦАМ), частотную (ДЧМ, ЦЧМ) и фазовую (ДФМ, ЦФМ), рис. 1.5. Участок манипулированного сигнала, в течение которого модулируемый параметр постоянен, называется

элементарной посылкой, или просто посылкой.

Колебание при дискретной модуляции характеризуют техниче-

ской скоростью (скоростью модуляции, скоростью телеграфиро-

вания), равной количеству элементарных посылок в секунду. Единицей измерения скорости модуляции является бод10 (1 бод соответствует одной посылке в секунду).

Наиболее важными показателями качества систем связи являются достоверность и помехоустойчивость. Достоверность дискретных систем связи определяется вероятностью безошибочного приема сообщения или отдельной посылки. Достоверность систем передачи непрерывных сообщений часто характеризуется средним квадратом ошибки

2	1 T							2
		0		b(t)		b(t)			dt ,
	T

где T – время наблюдения сигнала.

Помехоустойчивость системы связи характеризуют отношением средних мощностей сигнала и помехи, при котором обеспечивается заданная достоверность.

u(t)

t

u(t)	u(t)
t	t

Рис. 1.5. Виды дискретной модуляции (манипуляции) гармонического колебания: ДАМ (а), ДЧМ (б), ДФМ (в)

10 Назван в честь Ж.М.Э. Бодо (1845 – 1903) – известного французского инженера.