1. Реализуйте и поясните структурную схему обмена речевыми сообщениями между двумя аналоговыми абонентскими устройствами с учетом использования технологий построения цифровых систем связи.

Схема ответа на вопрос:

а) дайте определение, что такое речевое сообщение, приведите его основные характеристики (речевое сообщение является аналоговым или дискретным процессом, какую полосу частот оно занимает, какой динамический диапазон имеет).

Речевое сообщение является аналоговым физическим процессом.

Спектр речи весьма широк (примерно от 50 до 10000 Гц), но из-за экономических соображений, для передачи речи отказались от составляющих, лежащих вне полосы 0,3-3,4 кГц, что ухудшило восприятие ряда звуков (например, шипящих, существенная часть энергии которых сосредоточена в верхней части речевого спектра или низкочастотных гармоник основного тона, находящихся ниже 300 Гц), но мало затронуло разборчивость речи.

Динамический диапазон речи определяется как разность между максимальным и минимальным уровнями и в среднем составляет 47дБ. Экспериментально показано, что при равномерном квантовании по уровню для получения практически идеального качества речи нужно квантовать сигнал не ме­нее чем на ± 2000 уровней, иными словами, для представления каждого отсче­та понадобится 12 бит. Такое разрешение диктуется большим динамическим диапазоном сигналов. Такое разрешение диктуется большим динамическим диапазоном сигналов. Однако, в связи с непрерывно увеличивающейся долей речевых сообщений в общем объеме трафика, существующего в ИТС, интенсивно развиваются методы сокращения объемов их битовых представлений как при хранении, так и при передаче.

б) исходя из приведенных характеристик речевых сообщений, с учетом требований по сокращению объемов их битовых представлений, приведите последовательность преобразования данных сообщений для передачи по каналу связи в цифровом виде

Для речевых сигналов с указанной выше полосой частот, согласно теореме Котельникова, необходимо использовать частоту дискретизации fд = 8 кГц. Именно это значение частоты дискретизации является общепринятым стандартом при цифровой обработке речевых сигналов.

Большое число разрядов в коде (n=12) при равномерном квантовании приводит к усложнению аппаратуры и неоправданно­му увеличению тактовой частоты. Устранить указанный сущест­венный недостаток можно, осуществляя неравномерное квантова­ние, которое используется в современных цифровых системах пе­редачи (ЦСП). Сущность неравномерного квантования заключа­ется в следующем. Для малых значений сигналов шаг квантования выбирают минимальным и постепенно увеличивают до макси­мального для больших значений сигналов. Амплитудная характе­ристика неравномерного квантователя показана на рис.1 а

Рис. 1 Примеры характеристик: а) характеристика неравномерного устройства квантования; б) характеристика сжатия; в) характеристика равномерного устройства квантования.

При этом для слабых сигналов мощность шумов квантования Ршкв уменьшается, а для силь­ных - возрастает, что приводит к увеличению защищенности от шумов квантования Aз.кв=10lg(Pc / Pш.кв.) для слабых сиг­налов и снижению Aз.кв для сильных, которые имели большой за­пас по помехозащищенности. В результате удается снизить раз­рядность кода до n = 8 (L=256), обеспечив при этом выполнение требований к защищенности от шумов квантования в широком ди­намическом диапазоне сигнала, составляющем около 40 дБ. Таким образом, происходит выравнивание в широком диапа­зоне изменения уровней сигнала.

Эффект неравномерного квантования может быть получен с помощью сжатия динамического диапазона сигнала с последую­щим равномерным квантованием. Сжатие динамического диапазо­на сигнала осуществляется с помощью компрессора, обладающего нелинейной амплитудной характеристикой. Чем большей нелиней­ностью обладает компрессор, тем больший выигрыш может быть получен для слабых сигналов (Рис. 1 б). Для сигналов малой амплитуды характери­стика сжатия имеет более крутой фронт, чем для сигналов большой амплитуды. Следо­вательно, изменение данного сигнала при малых амплитудах затронет большее число равномерно размещенных уровней квантования, чем-то же изменение при больших ам­плитудах. Характеристика сжатия эффективно меняет распределение амплитуд входного сигнала, так что на выходе системы сжатия уже не существует превосходства сигналов малых амплитуд. После сжатия деформированный сигнал подается на вход равномер­ного (линейного) устройства квантования с характеристикой, показанной на рис. 1,в. Для восстановления исходного динамического диапазона сиг­нала на приеме необходимо установить экспандер (расширитель), амплитудная характеристика которого должна быть обратной ам­плитудной характеристике компрессора (рис. 1, б). Таким образом, результи­рующая (суммарная) амплитудная характеристика цепи компрес­сор-экспандер (компандер) должна быть линейной во избежание нелинейных искажений передаваемых сигналов.

в) с учетом выбранных частоты дискретизации и числа уровней квантования определить скорость передачи речи по каналу связи и провести анализ существующих технологий цифровых систем связи

В результате преобразования аналогового сигнала в циф­ровой он превращается в поток информации в виде двоичных символов (бит) со скоростью передачи 64 кбит/с. Канал, в котором передается такой цифровой по­ток, получил название «Основной цифровой канал» (ОЦК) или по международ­ной классификации DSO. Из сказанного выше понятно, что 64 кбит/с — это скорость, соответствующая одному телефонному каналу.

В настоящее время широко используется несколько разновидностей технологий цифровых систем связи: плезиохронный (ПЦИ — на английском — PDH), синхронный (СЦИ —SDH), ATM (режим асинхронной передачи), к цифровым относятся компьютерные сети Ethernet, Internet и т. д.

В существующих линиях и сетях связи передается одновременно большое количество (группа) таких каналов. Следовательно, по всем линиям, за исключением абонентского участка (от АТС к абоненту и обратно), передает­ся групповой цифровой сигнал. Он формируется методом временного разделения каналов, состоящим в том, что импульсы основного цифрового потока DSO кван­туются по времени на более короткие импульсы, которые затем с соответствую­щими временными сдвигами располагаются в один ряд, образуя новый цифровой поток (частота, с которой происходит временное квантование, называется такто­вой). Для последующего выделения (разделения) каналов на приеме в этот цифро­вой поток на границах импульсов, соответствующих каждому основному каналу, добавляются идентификационные синхроимпульсы. Таким образом, в групповом канале скорость передачи информации возрастает в зависимости от количества основных каналов. Операция образования группового цифрового потока инфор­мации из ряда основных каналов DSO получила название мультиплексирования с временным разделением каналов.

В соответствии с нормами ITU-T и ГОСТ РФ на этих линиях в европейских странах и странах Латинской Америки передается 30 телефонных (т. е. основных) каналов DSO. Кроме этого, в групповом линейном потоке пере­дается еще два дополнительных канала сигнализации и управления. Таким обра­зом, фактически количество передаваемых каналов n = 32. Перемножение коли­чества каналов (32) на скорость основного канала (64 кбит/с) дает скорость пере­дачи группового цифрового потока, равную 2048 кбит/с (2,048 Мбит/с). В США и Канаде аналогичный канал имеет скорость 1544 кбит/с (24 канала DSO). Пара­метры систем с этими скоростями стандартизированы документами МСЭ-Т (ITU-T) соответственно Рекомендациям G.733 и G.732. Если исходный цифровой (абонент­ский) канал 64 кбит/с называется основным (ОЦК или DSO), то групповой циф­ровой канал со скоростью 2048 (или 1544) кбит/с называется первичным цифро­вым каналом (ПЦК или DS1). Очевидно, что количество телефонных каналов, равное 30 (24), особенно при передаче в региональных, а тем более в магистральных линиях, совершенно недо­статочно. Поэтому международными соглашениями было установлено, что скорость передачи ПЦК и каждого канала последующего порядка может быть увеличена с помощью мультиплексирования с коэффициентом, кратным 4. При этом используется тот же метод временного квантования импульсных последовательностей мультиплексируемых сигналов с новой, более высокой (в 4 раза) тактовой ча­стотой, которая может быть не синхронизированной с тактовой частотой исход­ных каналов ПЦК (или каналов предыдущего порядка). Таким образом, получает­ся ряд скоростей передачи информации: 2048, 8448, 34368, 139264 и 564992 кбит/с. Из приведенного ряда видно, что значения скоростей не точно кратны четырем. Объясняется это тем, что для идентификации групп каналов (или блоков, паке­тов, контейнеров) вводятся дополнительные биты, нарушающие указанную выше кратность. Вместе с тем, по числу основных каналов (DSO), которые передаются в групповых потоках с перечисленными выше скоростями, кратность четырем со­блюдается четко: 30 (DSO) — 120 — 480 — 1920 — 7680. Перечисленные скорости образуют иерархический ряд или цифровые иерархии. Для стран Европы и Латин­ской Америки каждая цифровая иерархия получила свое обозначение:

Е1 — Первичная цифровая иерархия — ПЦИ (2048 кбит/с)

Е2 — Вторичная цифровая иерархия — ВЦИ (8448 кбит/с)

ЕЗ — Третичная цифровая иерархия — ТЦИ (34368 кбит/с)

Е4 — Четверичная цифровая иерархия — ЧЦИ (139264 кбит/с)

Е5 — Пятеричная цифровая иерархия — ПЦИ (564992 кбит/с)

Отметим, что в перечисленных иерархиях скоростей передачи тактовые часто­ты соседних уровней, а тем более удаленных, не обязательно должны быть синхронизированы. Кроме того, частоты дискретизации в разных каналах также могут отличаться на небольшую величину. При этом используется внутренняя синхро­низация в индивидуальных каналах. В таких системах в процессе мультиплексиро­вания для выравнивания скоростей или тактовых частот добавляются (или изымаются) дополнительные биты. В результате на выходе мультиплексора формируется синхронизированная цифровая импульсная последовательность, скорость которой в n раз выше, чем в индивидуальных каналах (n кратно 4). Такие системы получи­ли название плезиохронных (плезио — почти) цифровых систем передачи, а циф­ровая иерархия — Плезиохронная цифровая иерархия — ПЦИ (PDH).

Приведенные выше системы ПЦИ были первоначально разработаны для ли­ний связи, в которых средой распространения групповых сигналов являлись либо электрический (металлический) коаксиальный кабель, либо радиорелейные ли­нии. Для таких линий передачи была разработана соответствующая аппаратура иерархий Е1 — Е4. В этих линиях связи вследствие малой полосы пропускания и большого затухания коаксиальных кабелей длина регенерационного участка для Е1 — Е2 не превышала 5 км, а для Е4 и того меньше — 1,5...2 км. Такие линии связи были очень дорогими и широкого распространения не получили (особенно это относится к Е4). Линии связи на коаксиальном кабеле для скорости 564992 кбит/с (Е5) имели регенерационный участок менее 1,5 км и по причине очень высокой стоимости не получили дальнейшего развития, малая длина регенерационных участков для Е4 и Е5 — не единственная причина того, что Е4 не получила широкого распространения в кабельных линиях на основе традицион­ных (металлических) кабелей, а Е5 не получила дальнейшего развития. Вторая, не менее важная причина указанного выше обстоятельства, связана с особенностями плезиохронных систем передачи. Отсутствие общей жесткой синхронизации так­товых частот различных уровней Е1 — Е5, а также добавление (или изъятие) вста­вок (стаффингов) в виде дополнительных бит в соответствующий код для вырав­нивания кодовых комбинаций приводят к невозможности выделения на ка­ком-либо промежуточном пункте зоновой или магистральной линии канала DSO или, скажем, DS1 из потока, например, уровня ЕЗ или Е4 без полного демультип­лексирования группового информационного потока. И если для уровня Е2 эта процедура не является сложной задачей и стоимость аппаратуры, осуществляю­щей эту операцию, повышается незначительно, то для уровня ЕЗ стоимость ана­логичных устройств существенно возрастает, а для уровней Е4 и Е5 в связи с не­обходимостью резкого повышения быстродействия электронных устройств эта стоимость возрастает до неприемлемых величин.

Развитие альтернативной среды распространения сигналов, переносящих ин­формацию, — оптического волокна, в котором носителем информации является не электрический ток, а оптическое излучение (поток фотонов), позволило мно­гократно увеличить длину регенерационных участков. Так, для иерархии ПЦИ Е1 и Е2 длина регенерационного участка возросла до 200 км, а для ЕЗ и Е4 — более 100 км. При этом из-за многократного уменьшения числа ретрансляторов стои­мость плезиохронных систем передачи для уровней Е1 — Е4 весьма существенно снизилась, благодаря чему такие системы для ВОЛС получили широкое распространение.

Недостатки плезиохронных систем передачи и прогресс в технологиях воло­конно-оптических систем, имеющих по сравнению с электрическими кабельными системами практически неограниченную полосу пропускания, с одной стороны, и растущие потребности в повышении качества традиционных услуг связи и предоставления новых услуг в сочетании с экспонен­циальным ростом числа потребителей, с другой, стимулировали разработку и внедрение новых цифровых систем передачи информации. Этому также способствовала актуальность проблемы создания глобальной интегрированной информационной сети, оснащенной гибкой и оперативной системой управления. Эти проблемы было невозможно решить на основе систем передачи плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ или PDH). Поэтому 1988 г. на заседании ко­миссии МККТТ (сейчас ITU-T) было достигнуто соглашение о принятии нового стандарта — Синхронной Цифровой Иерархии (СЦИ — SDH) и единой глобальной оптической сети. На основе SDH в различных странах были разработаны системы передач, в США и Канаде — это система SONET (Синхронная оптическая сеть — Synchronous Optical Network), в Европе — SDH (Synchronous Digital Hierarchy). При приня­тии нового стандарта цифровой связи — SDH, одним из требований к новой системе было обеспечение совместимости с системами PDH. Это относилось прежде всего к цифровому потоку уровня Е4 PDH (140 Мбит/с). Для решения этой зада­чи в цифровой поток Е4 была введена избыточность в виде дополнительных бит, в следствие чего скорость передачи нового уровня возросла до 155,52 Мбит/с. Такая скорость была принята для основного формата синхронного сигнала, полу­пившего название синхронный транспортный модуль — STM-1. Учитывая требование совместимости с сетями PDH, в США и Канаде было решено преобразо­вать американский стандарт PDH для скорости 44,736 Мбит/с в скорость 51,84 Мбит/с (это 1-й уровень SDH для США). Благодаря этому с помощью мультиплексирования такого потока с коэффициентом 3 достигается совместимость с Европейским транспортным модулем STM-1 — (51,84 Мбит/с) · 3 = 155,52 Мбит/с. Новая американская синхронная система получила наименование S0NET/SDH. В результате международных соглашений были установлены скорости передачи в виде синхронной цифровой иерархии (СЦИ — SDH), регламентируемые рекомендациями ITU-T (MKKTT) G.707, структура сигнала в интерфейсе сетевого узла — G.708, структура синхронного группообразования — G.709. Таким образом, была принята следующая градация скоростей для иерархий синхронных сигналов (SDH): STM-1 - 155,520 Мбит/с, STM-4 - 622,08 Мбит/с, STM-16 -2488,32 Мбит/с (2,488 Гбит/с), STM-64 - 9,953 Гбит/с, STM-256 (40 Гбит/с). Не­обходимо отметить, что скорость 40 Гбит/с (длительность тактового интервала 0,25 пико секунд) для электронных средств реализации является предельной. За исключением STM-1, скорость STM-4, STM-16 и т. д. применяются исключительно в волокон­но-оптических системах передачи, а иерархии STM-16, STM-64 и STM-256 — основа для использования в магистральных ВОСП.

В отличие от плезиохронных, в сетях синхронной цифровой иерархии исполь­зуется центральный опорный генератор синхрочастоты (таймер), вследствие чего в СЦИ средняя частота всех местных задающих генераторов синхронна с точно­стью не хуже 10-11. Жесткая синхронизация на всех уровнях СЦИ дает возмож­ность введения идентификационных бит, что позволяет получить целый ряд преи­муществ синхронных сетей, среди которых отметим следующие:

1) возможность выделения из общего группового потока высокого уровня иерархии цифровых потоков более низкого уровня вплоть до Е1 без полного де­мультиплексирования (или, наоборот, введения такого потока в групповой);

2) упрощение общей структурной схемы оборудования СЦИ благодаря тому, что все функции ввода—вывода выполняет один мультиплексор, в том числе он может вывести (ввести) цифровой поток El PDH из потока (фрейма) STM-1;

3) возможность выделения (или ввода) цифровых потоков любого уровня из группового потока более высокого уровня позволяет осуществлять оперативное переключение цифровых трактов в сетях, делая их более гибкими в плане конфи­гурирования;

4) скорость передачи групповых сигналов на стыках сетевых узлов совпадает в системах СЦИ с линейными скоростями, благодаря чему отпадет необходимость применения дополнительного преобразователя стыкового кода в линейный.

Гибкость сетей СЦИ, применение их совместно с волоконно-оптическими си­стемами, имеющими очень большую ширину полосы пропускания и высокое бы­стродействие квантово-электронных модулей, позволяет осуществлять автомати­ческую коммутацию цифровых потоков, а также компьютерное дистанционное управление сетью из одного центра. При этом процесс реконфигурации сети за­нимает считанные секунды. Перечисленные преимущества систем СЦИ на основе ВОСП позволяют оптимально использовать емкости каналов, осуществляя опера­тивную коммутацию цифровых потоков и резервных линий. В настоящее время в сетях связи крупных городов, а также в региональных и транспортных ВОСП тех­нология передачи СЦИ является основной. В большинстве магистральных ВОСП, построенных в России с середины 90-х годов, цифровой поток СЦИ СТМ-16 передается на одной длине волны в диапазоне С (3-e окно прозрачности 1500-1580 нм).

г) с учетом вышеизложенного осуществите восстановление речевого сообщения на приемной стороне

На приемной стороне осуществляется «разуплотнение» группового сигнала, т.е. выделение из него потока информации в виде двоичных символов (бит) со скоростью передачи 64 кбит/с. Далее этот поток поступает на ЦАП, с выхода которого отсчеты (величина которых соответствует поступившей на вход ЦАП 8-ми битовой кодовой комбинации), представляющие дискретизированный сигнал fΔt(t) = f (kΔt)* δ (t-kΔt) в виде суммы последовательных весовых δ – функций, сдвинутых на интервал Δt, со значениями веса, равными значениям отсчетов функции f (t) в моменты kΔt. При прохождении такого сигнала через систему с импульсным откликом h(t)= sinc(π fд t)= sin(π fд t)/(π fд t) каждая весовая δ – функция возбудит на выходе соответствующую последовательную серию сдвинутых и масштабированных копий оператора фильтра. Отсюда, с учетом очевидного равенства

δ (t- kΔt) * sinc(π fд t) = sinc(π fд (t- kΔt)),

выходной сигнал будет представлять собой сумму сдвинутых весовых импульсных откликов системы, где значение веса определяется отсчетами дискретного сигнала:

f (t) = f (kΔt) sinc(π f_д (t- kΔt))= f (kΔt) sinc(π(t/Δt-k)).

Эта конечная формула носит название интерполяционного ряда Котельникова-Шеннона. Из нее следует, что если наибольшая частота в спектре произвольной непрерывной функции

f (t) не превышает частоты ее дискретизации, то она без потери точности может быть представлена в виде числовой последовательности дискретных значений f (kΔt), k = 0,1,2,... , и однозначно восстановлена по этой последовательности. В этом и состоит сущность теоремы отсчетов Котельникова. В зарубежной литературе она называется также теоремой Шеннона или теоремой дискретизации (sampling teorem).

Исходя из вышеизложенного, структурная схема обмена речевыми сообщениями между двумя аналоговыми абонентскими устройствами с учетом использования технологий построения цифровых систем связи, будет иметь следующий вид:

НАРИСОВАТЬ САМОМУ

Для подключения к сети ip-phone необходима мультимедийная карта, микрофон, динамики (или наушники), 8 Мбайт оперативной памяти, доступ к Интернет и соответствующее программное обеспечение. Качество передачи звука зависит от загруженности IP-канала. В качестве транспорта используется протокол UDP. Для обеспечения высокого качества звука нужна гарантированная ширина IP-канала, ведь задержанные сверх меры UDP-дейтограммы теряются безвозвратно, что и приводит к искажениям. Внедрение протоколов, гарантирующих определенную ширину канала сделают IP-phone значительно более привлекательным. Активно разрабатываются многие новые стандарты и протоколы для обеспечения передачи звука по ip-каналам, проведения видеоконференций и управления в реальном масштабе времени. К таким протоколам относятся RTP (real time protocol, RFC-1889, -1890), RTCP (real-time control protocol), который является дополнением RTP, и RSVP (resource reservation protocol, см. разделы проектов IETF nic.nordu.net, ftp.isi.edu, munnari.oz.au и ds.internic.net или ftp.ietf.org/internet-drafts/draft-ietf-rsvp-spec-16.txt), служащий для обеспечения своевременной доставки данных при работе в реальном времени. Протокол RTP способен работать помимо UDP/IP в сетях CLNP, ATM и IPX. Он обеспечивает детектирование потерь, идентификацию содержимого, синхронизацию и безопасность (доступ по шифрованному паролю, см. RFC-1423). Проблема синхронизации при передаче звука особенно важна, так как даже для локальных сетей время доставки пакетов может варьироваться в весьма широких пределах из-за используемого алгоритма доступа (например, CSMA/CD), а это приводит к искажениям при воспроизведении. Протоколы RTP и RTCP позволяют одновременное голосовое общение неограниченного числа людей в рамках сети Интернет. Протокол же RSVP (или его аналог) в случае внедрения гарантирует качество связи (разумеется, при достаточной широкополосности канала) за счет повышения приоритета пакетов реального времени. Следует иметь в виду, что голосовое общение, хотя и весьма привлекательно, не является единственной и даже главной целью разработчиков. По мере совершенствования протоколов Интернет сделает возможным управление в реальном масштабе времени довольно сложными удаленными объектами.

Это вид схемного решения передачи речи по каналам IP-телефонии

На рисунке MVW-модуль (Multiflex Voice/WAN), включаемый в маршрутизатор, например, CISCO-3662, служит для связи с общедоступной телефонной сетью. Если сеть “А” размещена в Рио-де-Жанейро, а “В” в Москве, то любой клиент нижней сети сможет разговаривать с клиентом в Рио “бесплатно”, а с клиентами телефонных сетей “А” и “B” по локальным тарифам. В левой части рисунка показаны телефонные аппараты, которые подключаются непосредственно к сегменту локальной сети. Такие приборы уже поступили в продажу. Связь может осуществляться как с традиционной старой аналоговой телефонной сетью, так и с ISDN. Телефонные аппараты могут подключаться непосредственно к интерфейсу маршрутизатора, к сетевой рабочей станции или к специальному сетевому адаптеру.

2. ДЛЯ специальности 210406.65 СС и СК. Поясните сущность термина «система связи», укажите особенности и принципы реализации различных способов формирования сигналов при передаче информации по каналам связи.

ДЛЯ специальности 210405.65 РРТ. Поясните сущность термина «система радиосвязи», охарактеризуйте входящие в неё элементы. (Здесь добавить информацию об особенностях реализации Возбудителей, выходных каскадов передатчика, типы АФУ, особенности построения супергетеродинных приемников)

Под системой связи (СС) понимают совокупность технических средств и среды распространения сигнала, служащих для передачи со­общений от источника к получателю.

Любая система связи начинается с источника, сообщения которого требуется доставить получателю сообщений. В зависимости от вида источника и канала возможны три основных варианта построения сис­тем связи.

Вариант 1. В центральной части рис. изображена структура системы передачи дискретных сообщений (СПДС). В нее входят сле­дующие основные ФУ:

1) Кодер источника, служащий, прежде всего, для согласования объемов алфавитов дискретного источника {т » 2) и дискретного ка­нала (т = 2). В результате каждый символ источника преобразуется в к -разрядную двоичную комбинацию из 0 и 1. Очевидно, что к > log m .

2) Кодер канала, используемый для повышения помехоустойчиво­сти связи. В нем к входным (информационным) кодовым комбинациям добавляются дополнительные символы, называемые проверочными, которые вместе с правилом их формирования позволяют на приемной стороне обнаруживать и (или) исправлять некоторые из возможных ошибок передачи.

3) Модулятор, служащий для согласования первичного сигнала на выходе кодирующего устройства с характеристиками линии связи. Как правило, это преобразование сводится к преобразованию НЧ сигнала в ВЧ сигнал.

4) Линия связи (ЛС), представляющая собой среду распростране­ния сигнала в части пространства, разделяющего передающую и прием­ную стороны СС. В ЛС сигнал подвергается искажениям и действию помех.

Под помехами понимаются любые возмущения в канале передачи информации, вызывающие случайные отклонения принятого сообще­ния от переданного. Помехи обычно классифицируются по месту их возникновения, по статистическим свойствам и по характеру воз­действия на полезный сигнал.

По месту возникновения помехи можно разделить на внешние и внутренние. К внешним помехам относятся помехи, источники кото­рых находятся вне системы передачи информации. Сюда можно от­нести:

1) атмосферные помехи (вызванные грозовыми разрядами);

2) космические помехи, вызванные радиоизлучением Солнца и других небесных тел;

3) промышленные помехи, обусловленные работой различных электрических устройств и агрегатов.

Внутренние помехи возникают в самой аппаратуре системы пе­редачи информации. К ним можно отнести помехи в виде тепловых шумов электронных ламп, полупроводниковых приборов, сопро­тивлений и других элементов; помехи, вызванные изменением пара­метров линий связи, влиянием линий друг на друга, а также за счет кратковременных разрывов связи; помехи, возникающие при преоб­разовании сигналов в отдельных элементах системы (шумы кванто­вания, искажения сигналов за счет ограниченного значения полосы пропускания элементов, за счет нелинейности характеристик пре­образования); помехи, обусловленные нестабильностью элементов аппаратуры, а также аппаратурные искажения, вызванные техничес­кой неисправностью или недостаточно точной настройкой аппаратуры.

По своим свойствам помехи могут быть детерминированными и случайными. Защита против детерминированных помех не вызывает особых затруднений. В дальнейшем рассмотрим только случайные помехи.

Все случайные помехи можно объединить в три группы:

1) импульсные (сосредоточенные по времени);

2) флуктуационные;

3) синусоидальные (сосредоточенные по спектру).

Импульсные помехи представляют в общем случае последователь­ность импульсов произвольной формы со случайными амплитудой, длительностью и моментом появления. Характерной особенностью импульсных помех является то, что переходные процессы, вызванные в аппаратуре каким-либо импульсом, успевают практически затухнуть до появления следующего импульса.

Характерными примерами импульсных помех являются помехи от грозовых разрядов, от системы зажигания двигателей внутреннего сгорания, помехи, связанные с коммутационными процессами и т. п.

Флуктуационные помехи представляют собой совокупность боль­шого числа кратковременных нерегулярных импульсов со случай­ными параметрами. Переходные процессы от воздействия отдельных импульсов, накладываясь, друг на друга, образуют непрерывный слу­чайный процесс. Характерной особенностью этих помех является отсутствие выбросов, превышающих средний уровень более чем в три-четыре раза.

Так как длительность переходного процесса определяется полосой пропускания канала передачи информации, то и характер помех за­висит от ширины полосы канала. Одна и та же помеха может быть импульсной для широкополосной и флуктуационной для узкополос­ной системы.

Флуктуационные помехи представляют собой обычно белый шум, гауссов шум или белый гауссов шум. Последний характерен как своей распространенностью, так и тем, что он принципиально не может быть устранен.

К таким помехам можно отнести:

1) тепловые шумы сопротивлений и полупроводниковых приборов, дробовый эффект электронных ламп;

2) космические помехи;

3) атмосферные помехи в диапазоне коротких волн и пр.

Синусоидальные помехи представляют собой синусоидальные ко­лебания со случайно изменяющимися амплитудой, фазой и частотой. Эти помехи характеризуются медленным изменением параметров, вследствие чего ширина спектра модулирующей функции синусои­дальной помехи оказывается практически малой по сравнению с по­лосой пропускания канала.

В качестве источников синусоидальных помех могут быть посто­ронние радиоустановки, генераторы переменного тока и пр.

По характеру воздействия на полезный сигнал помехи подразделяют на аддитивные и мультипликативные. Аддитивная помеха — это помеха, представляемая не зависящим от сигнала случайным слагаемым. Аддитивную помеху называют иногда «шумом». Мульти­пликативная помеха — это помеха, представляемая не зависящим от сигнала случайным множителем. Подавляющая часть встречающихся на практике помех принадлежит к группе аддитивных помех.

Характерным примером мультипликативной помехи является ис­кажение сигнала за счет случайных изменений характеристик ка­нала передачи информации.

Все случайные помехи представляют собой случайный процесс и описываются с помощью функций распределения вероятностей или числовых характеристик в виде моментов распределения.

Следует четко отличать помехи от искажений, так как последние обусловлены известными характеристиками канала и в принципе могут быть устранены путем надлежащей коррекции.

Частотные и временные характеристики канала определяют линейные искажения, а нелинейность тех или иных его звеньев вносят нелинейные искажения.

5) Демодулятор, осуществляющий анализ смеси сигнала с помехой на своем входе в течение времени его существования (временные пара­метры анализа обеспечиваются системой синхронизации, которая счи­тается идеально работающей и не показана на данной схеме) и на его основе принимающий решение (возможно ошибочное) о том, какой ва­риант сигнала (из известного множества на входе модулятора) переда­вался. В результате на выход выдается «чистая» копия этого сигнала, но уже на следующем тактовом интервале.

6) Декодер канала, обнаруживающий и (или) исправляющий неко­торые ошибки во входных кодовых комбинациях, вызванные действием помех в ЛС, по известному ему правилу формирования проверочных символов в кодере канала.

7) Декодер источника, преобразующий информационную часть кодовой комбинации в первичное сообщение (символ источника дис­кретных сообщений) при необнаружении ошибок передачи.

Совокупность кодера и декодера, выполненных в виде самостоя­тельного ФУ, называют кодеком, а пару модулятор и демодулятор — модемом.

В тех случаях, кода сообщения по своей природе являются непре­рывными (речь, музыка, видео и т. п.), а первичные сигналы соответст­венно аналоговыми, возможны два варианта их передачи.

Вариант 2. Передача аналогового сигнала непосредственно по ЛС, если она пропускает первичный сигнал с допустимым качеством (го­родская телефонная сеть), либо с использованием модулятора, реали­зующего прежнюю функцию согласования сигнала с ЛС. При этом не­сколько меняется функция демодулятора на приемной стороне, который в этой ситуации обычно называют детектором. Его задача теперь за­ключается в наиболее точном воспроизведении формы первичного сиг­нала в результате обработки принятого колебания.

Вариант 3. Передача аналогового сигнала по цифровому каналу связи. В этом случае на передающей стороне возникает необходимость преобразования аналогового первичного сигнала в цифровой с помо­щью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), ФНЧ предназначен для ограничения спектра сигнала на входе АЦП, для осуществления однозначного выбора частоты дискретизации. На приемной стороне полученные после декодирования числовые значения отсчетов с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) преобразуются в соответствующие уровни напряжения и после сглаживания в ФНЧ поступают к получателю в аналоговой форме.

Классификация систем связи

По виду передаваемых сообщений различают:

1) телеграфию (передача текста),

2) телефонию (передача речи),

3) фототелеграфию (передача неподвижных изображений),

4) телевидение (передача подвижных изображений),

5) телеметрию (передача результатов измерений),

6) телеуправление (передача управляющих команд),

7) передачу данных (в вычислительных системах и АСУ).

По диапазону частот СС различают в соответствии с декадным де­лением диапазонов электромагнитных волн от мириаметровых (3-30) кГц до децимиллиметровых (300-3000) ГГц.

Диапазоны волн	Длина волны	Частота
Декакилометровые (сверхдлинные, СДВ)	10-100 км	3-30 кГц
Километровые (длинные, ДВ)	1-10 км	30-300 кГц
Гектометровые (средние, СВ)	100-1000 м	0,3-3 МГц
Декаметровые (короткие,KB)	10-100 м	3-30 МГц
Метровые	1-10 м	30-300 МГц
Дециметровые Сантиметровые Миллиметровые (ультракороткие, УКВ)	0,1-1 м 1-10 см 1—10 мм	300-3000 МГц 3-30 ГГц 30-300 ГГц

Примечание. В скобках указаны нестандартные, но широко используемые названия диапазонов волн.

По назначению СС делят на вещательные (высококачественная передача речи, музыки, видео от малого числа источников сообщений большому количеству их получателей) и профессиональные (связные), в которых число источников и получателей сообщений — одного поряд­ка.

Различают следующие режимы работы СС:

1) симплексный (передача сигналов в одном направлении),

2) дуплексный (одновременная передача сигналов в прямом и об­ратном направлениях),

3) полудуплексный (поочередная передача сигналов в прямом и обратном направлениях).

Уточним уже использованный нами термин канал связи. Под ним принято понимать часть СС между точками А на передающей и Б на приемной сторонах. В зависимости от выбора этих точек, иначе говоря, по виду сигналов на входе и выходе различают каналы:

1) непрерывные,

2) Дискретные,

3) Дискретно-непрерывные,

4) Непрерывно-дискретные.

Каналы связи можно характеризовать, по аналогии с сигналами, сле­дующими тремя параметрами:

- временем доступа Т_к,

- шириной полосы пропускания F_K,

~ динамическим диапазоном Н_K = 10 lgРк доп./Рш [дБ],

где Рк доп. - максимально допустимая мощность сигнала в канале,

Р_ш - мощность собственных шумов канала.

Обобщенным параметром канала является его емкость

Необходимым условием согласования сигнала и канала является выполнение неравенства Vс < V_K.

Рассмотрим более подробно весь процесс преобразования сообщений в системе связи с учетом помех, воздействующих на сигнал в канале связи.

При передаче дискретных сообщений передаваемое сообщение обозначим буквой а, кодированное сообщение (или первичный сиг­нал)— б, сигнал, поступающий в линию связи, — и(t), принятое колебание — z(t), восстановленная последовательность кодовых символов — б и декодированное (восстановленное) сообщение — а. Обозначения принятых сигналов, кодовых символов и восстановленного сообщения выбраны иными, чем передаваемых. Этим подчеркивается то обстоятельство, что из-за влияния помех при­нятый сигнал отличается от переданного, а восстановленное со­общение может не совпадать с исходным.

При передаче непрерывного сообщения а оно сначала преоб­разуется в первичный электрический сигнал b(t), а затем, как правило, с помощью модулятора формируется сигнал u(t), кото­рый и посылается в линию связи. Принятое колебание z(t) под­вергается обратным преобразованиям, в результате которых вы­деляется первичный сигнал b(t). По нему затем восстанавлива­ется с той или иной точностью сообщение а.

3. ДЛЯ специальности 210406.65 СС и СК. Поясните сущность термина «канал связи», охарактеризуйте математические модели каналов связи, методы повышения качества передачи информации и снижения уровня мешающих воздействий, применяемые в ИТС.

ДЛЯ специальности 210405.65 РРТ Поясните сущность термина «канал радиосвязи», охарактеризуйте математические модели каналов радиосвязи, используемые при анализе функционирования систем радиосвязи. (Обратить особое внимание на организацию канала связи при отражении радиоволн от неоднородностей ионосферы, указав причину медленных и быстрых (селективных замираний) и особенности борьбы с ними)

Под каналом связи понимают совокупность техниче­ских средств и среды распространения, предназначенной для передачи сигналов электросвязи от одного абонента к другому в заданной полосе частот и с заданной скоростью.

В курсе теории связи в составе канала рассматривают последовательное соединение функциональных блоков, при котором обеспечивается передача информации с наибольшей эффективностью.

В зависимости от решаемых задач в качестве канала телекоммуникаций понимают различную совокупность функциональных блоков или узлов, которая при этом по­лагается заданной.

Каналы телекоммуникаций классифицируют по раз­ным признакам.

В зависимости от видов передаваемых сообщений раз­личают каналы:

— телеграфной связи;

— факсимильной связи;

— телефонной связи;

— звукового вещания;

— видеотелефонной связи; передачи данных;

— телевизионные;

— телеметрические.

По виду среды распространения сигналов выделяют:

— каналы радиосвязи, подразделяющиеся на каналы:

а) прямой разновидности;

б) ионосферной радиосвязи;

в) тропосферной радиосвязи;

г) радиорелейной связи;

д) метеорной радиосвязи;

е) космической связи;

— каналы проводной связи, включающие в себя:

а) воздушные линии;

б) кабельные линии;

в) волоконно-оптические линии.

По характеру преобразований сигналов в процессе пе­редачи различают каналы:

— линейные;

— нелинейные.

Весьма важным признаком классификации каналов телекоммуникаций является диапазон используемых в них частот. Например, по каналам, образованным с помощью симметричных кабельных линий, передаются сигналы в полосе, ограниченной сверху несколькими сотнями килогерц. В каналах с коаксиальными кабелями, являющимися основой сетей магистральной связи, диапазон используемых частот достигает сотен мегагерц.

Наиболее широкий диапазон частот применяется в каналах радиосвязи, его границы начинаются примерно на частоте 3*10³ Гц и простираются до 3*10¹² Гц. Свойства и характеристики каналов радиосвязи во многом определяются диапазоном радиоволн. Деление электромагнитных волн на диапазоны представлено в таблице 1 (которая была дана Вам в первом семестре изучения курса).

Таблица 1

Диапазон волн	Длина волны	Наименование диапазона частот	Частота колебаний
Мириаметровые (сверхдлинные СДВ)	100-10 км	Очень низкие частоты (ОНЧ)	30-30 кГц
Километровые (длинные — ДВ)	10—1 км	Низкие частоты (НЧ)	30 -300 кГц
Гектометровые (средние — СВ)	1000—100 м	Средние частоты (СЧ)	300- 3000 кГц
Декаметровые (короткие — KB)	100—10 м	Высокие частоты (ВЧ)	3-30 МГц
Ультракороткие:
- метровые (MB)	10—1 м	Очень высокие частоты (ОВЧ)	30- 300 МГц
- дециметровые (ДМВ)	100—10 см	Ультравысокие частоты (УВЧ)	300- 3000 МГц
-сантиметровые (СМВ)	10—1 см	Сверхвысокие частоты (СВЧ)	3-30 ГГц
- миллиметровые (Ммв)	10—1 мм	Крайневысокие частоты (КВЧ)	30-300 ГГц
-децимиллиметровые (Дммв)	1—0,1мм	Гипервысокие частоты (ГВЧ)	300-3000 ГГц

В настоящее время благодаря широкому внедрению квантовых генераторов или лазеров, интенсивно приме­няются каналы оптического диапазона, где передача ин­формации осуществляется посредством световых волн. Здесь используются частоты порядка 10¹⁴ГГц (длина волн около 1 мкм).

Обратимся к простейшей структурной схеме системы передачи информации вид которой представлен на рисунке.

В этой схеме для теории электрической связи пред­ставляет интерес классификация каналов телекоммуни­каций по характеру сигналов на входе и выходе канала. Здесь обычно различают:

- непрерывный канал, на входе и выходе которого сигналы имеют аналоговый (непрерывный по уровням) вид. Данный канал задается между точками 2 и 3 выхода модулятора и входом демодулятора;

- дискретный канал, на выход которого поступают дискретные по уровням сигналы, а с выхода снимаются также дискретные сигналы. Этот канал определяется между точками 1 и 4;

- дискретно-непрерывный или полунепрерывный ка­нал. Такой канал является дискретным со стороны входа и непрерывным со стороны выхода и задаете между точками 1 и 3.

Из рисунка видно, что любой дискретный и полунепрерывный каналы включают в себя непрерывный канал и свойства этого непрерывного канала существенно влияют на модель дискретного (полунепрерывного) канала. Очень часто простой математической модели непрерывного канала может соответствовать достаточно сложная модель дискретного канала.

Исходя из этого, рассмотрим вначале модели непрерывных моделей каналов связи.