Інформація - відомості про будь-які процеси, події, факти або предметах. Відомо, що 80 .. 90% інформації людина одержує через органи зору і 10 .. 20% - через органи слуху. Інші органи почуттів дають у сумі 1 .. 2% інформації. Фізіологічні можливості людини не дозволяють забезпечити передачу великих обсягів інформації на значні відстані.
Зв'язок - технічна база, що забезпечує передачу і прийом інформації між віддаленими один від одного людьми або пристроями. Аналогія між зв'язком та інформацією така ж, як у транспорту та вантажу. Засоби зв'язку не потрібні, якщо немає інформації, як не потрібні транспортні засоби при відсутності вантажу.
Повідомлення - форма вираження (подання) інформації, зручна для передачі на відстань. Розрізняють про птіческіе (телеграма, лист, малюнок) і звукові (мова, музика) повідомлення. Документальні повідомлення наносяться і зберігаються на певних носіях, найчастіше на папері. Повідомлення, призначені для обробки на ЕОМ, прийнято називати даними.
Інформаційний параметр повідомлення - параметр, у зміні якого "закладена" інформація. Для звукових повідомлень інформаційним параметром є миттєве значення звукового тиску, для нерухомих зображень - коефіцієнт відбиття, для рухливих - яскравість світіння ділянок екрана.
За характером зміни інформаційних параметрів розрізняють безперервні та дискретні повідомлення.
Сигнал - фізичний процес, що відображає передане повідомлення. Відображення повідомлення забезпечується зміною будь-якої фізичної величини, що характеризує процес. Ця величина є інформаційним параметром сигналу.
Сигнали, як і повідомлення, можуть бути безперервними і дискретними. Інформаційний параметр безперервного сигналу з плином часу може приймати будь-які миттєві значення в певних межах. Безперервний сигнал часто називають аналоговим. Дискретний сигнал характеризується кінцевим числом значень інформаційного параметра. Часто цей параметр приймає лише два значення. На Рис. 3.1 показані види аналогового і дискретного сигналів.
У техніці зв'язку разом з абсолютними одиницями вимірювання параметрів електричних сигналів (потужність, напруга і струм) широко використовуються відносні одиниці.
Рівнем передачі сигналу в деякій точці каналу або тракту називають логарифмічне перетворення відносини енергетичного параметра S (потужності, напруги або струму) до відліковому значенням цього ж параметра.
Правило перетворення визначається формулою:
,
де m - масштабний коефіцієнт; a - підстава логарифма.
Рівні передачі вимірюються в децибелах, якщо справедливі співвідношення:
для рівнів по потужності, дБм;
для рівнів по напрузі, дбн;
Рівень передачі називається абсолютним, якщо P 0 = 1 мВт. Якщо тепер задати R 0, то при заданих значеннях потужності та опору легко отримати відповідні величини напруги U 0 і струму I 0:
;
При R 0 = 600 Ом в практичних розрахунках приймають округлені значення: для U 0 = 0,775 В, а для I 0 = 1,29 мА.
Вимірювальні рівні служать для визначення рівнів передачі за допомогою вимірювальних приладів, які називаються покажчиками рівня.
Для вимірювання рівня найбільш часто застосовується схема відомого генератора, показана на Рис. 3.2.
Рис. 3.1 Види сигналів: а - аналогового, б - дискретного
Рис. 3.2 Схема відомого генератора
У цій схемі до входу досліджуваного об'єкта, наприклад деякого чотириполюсника, підключається генератор випробувального сигналу з повністю визначеними параметрами, тобто повинно бути відомо його вихідний опір R Г, що розвивається ЕРС E Г (або напруга на вході об'єкта U ВХ). Вхідний опір об'єкта R Г також має бути відомо. До виходу об'єкта підключається покажчик рівня з вхідним опором, який дорівнює номінальному значенню опору навантаження; реальна навантаження при цьому відключається.
Як випробувальний при вимірюванні рівнів передачі найчастіше застосовують одночастотний синусоїдальний сигнал, частота якого також повинна бути відома, а початкова фаза, як правило, не фіксується.
Якщо за значенням параметрів підключений генератор випробувального сигналу має властивість нормального, тобто його внутрішній опір одно 600 Ом, що розвивається ЕРС дорівнює 1,55 В, то виміряний на опорі R Н рівень називається вимірювальним.
Надалі будемо розглядати принципи і засоби зв'язку, засновані на використанні електричної енергії як переносників повідомлень, тобто електричних сигналів. Вибір електричних сигналів для перенесення повідомлень на відстань обумовлений їх високою швидкістю поширення (близько 300 км / мс)
Опис сигналів електрозв'язку деяким чином необхідно для їх адекватної обробки в процесі передачі. Описом сигналу може служити деяка функція часу. Визначивши так чи інакше цю функцію, визначаємо і сигнал. Однак таке повне визначення сигналу не завжди потрібно. Досить опис у вигляді декількох параметрів, що характеризують основні властивості сигналу з точки зору його передачі.
Якщо провести аналогію з транспортуванням вантажів, то для транспортної мережі визначальними параметрами вантажу є його маса і габарити. Сигнал також є об'єктом транспортування, а техніка зв'язку - технікою транспортування (передачі) сигналів по каналах зв'язку.
Основними первинними сигналами електрозв'язку є: телефонний, звукового мовлення, факсимільний, телевізійний, телеграфний, передачі даних.
Телефонний (мовної) сигнал. Звуки мови утворюються в результаті проходження повітряного потоку з легких через голосові зв'язки і порожнини рота і носа. Частота імпульсів основного тону (f 0 на Рис. 3.3) лежить в межах від 50 .. 80 Гц (бас) до 200 .. 250 Гц (жіночий та дитячий голоси). Імпульси основного тону містять велику кількість гармонік (до 40) (2f 0, .., nf 0 на Рис. 3.3), причому їх амплітуди зменшуються зі збільшенням частоти зі швидкістю приблизно 12 дБ на октаву (крива 1 на Рис. 3.3). (Нагадаємо, що октавою називається діапазон частот, верхня частота якого в два рази вище нижньої. Т.ч. амплітуда гармоніки 2f 0 на 12 дБ більше, ніж гармоніки 4f 0 і т.д.). При розмові частота основного тону f 0 змінюється в значних межах.
Рис. 3.3 Спектральний склад мовного сигналу
У процесі проходження повітряного потоку з легких через голосові зв'язки і порожнини рота і носа утворюються звуки мови, причому потужність гармонік частоти основного тону змінюється (крива 2 на Рис. 3.3). Області підвищеної потужності гармонік частоти основного тону називаються формантами (див. Рис. 3.3). Різні звуки мови містять від двох до чотирьох формант. Висока якість передачі телефонного сигналу характеризується рівнем гучності, розбірливо, природним звучанням голосу, низьким рівнем перешкод. Ці фактори визначають вимоги до телефонних каналів.
Основними параметрами телефонного сигналу є:
потужність телефонного сигналу P ТЛФ. Згідно з даними МСЕ-Т середня потужність телефонного сигналу в точці з нульовим вимірювальним рівнем на інтервалі активності становить 88 мкВт. З урахуванням коефіцієнта активності (0,25) середня потужність телефонного сигналу P СР дорівнює 22 мкВт. Крім мовних сигналів в канал зв'язку можуть надходити сигнали управління, набору номера та ін З урахуванням цих сигналів середню потужність телефонного сигналу приймають рівної 32 мкВт, тобто середній рівень телефонного сигналу становить p СР = 10 lg (32 мкВт/1мВт) = - 15 дБм0;
коефіцієнт активності телефонного повідомлення, тобто відношення часу, протягом якого потужність сигналу на виході каналу перевищує ліміт порогове значення, до загального часу заняття каналу для розмови. При розмові кожен із співрозмовників говорить приблизно 50% часу. Крім того, окремі слова, фрази відокремлюються паузами. Тому коефіцієнт активності складає 0,25 .. 0,35.
динамічний діапазон визначається вираженим в децибелах ставленням максимальній та мінімальній потужності сигналу
(ДБ)
Динамічний діапазон телефонного сигналу становить D З = 35 ... 40 дБ;
пік-фактор сигналу
,
який складає 14 дБ. При цьому максимальна потужність, ймовірність перевищення якої зникаюче мала, дорівнює 2220 мкВт (+3,5 дБм0);
енергетичний спектр мовного сигналу - область частот, в якій зосереджена основна енергія сигналу (Мал. 3.4)
,
де - Спектральна щільність середнього квадрата звукового тиску;
- Поріг чутності (мінімальне звуковий тиск, яке починає відчуватися людиною з нормальним слухом на частотах 600 .. 800 Гц); f = 1 Гц. З Рис.3.4 випливає, що мова являє собою широкосмуговий процес, частотний спектр якого простягається від 50 .. 100 Гц до 8000 .. 10000 Гц. Встановлено, проте, що якість мови виходить цілком задовільним при обмеженні спектра частотами 300 .. 3400 Гц. Ці частоти прийняті МСЕ-Т в якості кордонів ефективного спектра мови. При зазначеній смузі частот слоговая розбірливість становить близько 90%, розбірливість фраз - більше 99% і зберігається задовільна натуральність звучання.
Рис. 3.4 Енергетичний спектр мовного сигналу
Сигнали звукового мовлення. Джерелом звуку при передачі програм мовлення звичайно є музичні інструменти або голос людини.
Динамічний діапазон мовної передачі наступний: мова диктора 25 .. 35 дБ, художнє читання 40 .. 50 дБ, вокальні та інструментальні ансамблі 45 .. 55 дБ, симфонічний оркестр до 65 дБ. При визначенні динамічного діапазону максимальним вважається рівень, ймовірність перевищення якого дорівнює 2%, а мінімальним - 98%.
Середня потужність сигналу мовлення істотно залежить від інтервалу усереднення. У точці з нульовим вимірювальним рівнем середня потужність становить 923 мкВт при усередненні за годину, 2230 мкВт - за хвилину і 4500 мкВт - за секунду. Максимальна потужність сигналу мовлення в точці з нульовим вимірювальним рівнем складає 8000 мкВт.
Частотний спектр сигналу мовлення розташований у смузі частот 15 .. 20000 Гц. При передачі як телефонного сигналу, так і сигналів мовлення смуга частот обмежується. Для досить високої якості (канали мовлення першого класу) ефективна смуга частот повинна становитиме 0,05 .. 10 кГц, для бездоганного відтворення програм (канали вищого класу) 0,03 ... 15 кГц.
Факсимільний сигнал формується методом порядковий розгортки. Частотний спектр первинного факсимільного сигналу визначається характером переданого зображення, швидкістю розгортки і розмірами скануючого плями. Для параметрів факсимільних апаратів, рекомендованих МСЕ-Т, верхня частота сигналу може становити 732, 1100 і 1465 Гц. Динамічний діапазон сигналу становить близько 25 дБ, пік-фактор дорівнює 4,5 дБ при 16 градаціях яскравості.
Телевізійний сигнал також формується методом розгортки. Аналіз показує, що енергетичний спектр телевізійного сигналу зосереджений в смузі частот 0 .. 6 МГц. Динамічний діапазон D З 40 дБ, пік-фактор 4,8 дБ.
Основним параметром дискретного сигналу з точки зору його передачі є необхідна швидкість передачі (біт / с).
Аналогічні параметри визначаються і для каналів зв'язку. Параметри каналів зв'язку повинні бути не менше відповідних параметрів сигналів.
Звести параметри аналогових сигналів до єдиного параметру (швидкості передачі) дозволяє перетворення цих сигналів у цифрові (див. підрозділ 8.2 "Цифрова обробка аналогових сигналів").
Система електрозв'язку - сукупність технічних засобів та середовища поширення, що забезпечує передачу повідомлень. Узагальнена структурна схема систем електрозв'язку показана на Рис. 3.5.
Рис. 3.5 Узагальнена структурна схема систем електрозв'язку
Повідомлення за допомогою перетворювача повідомлення-сигнал перетвориться в первинний електричний сигнал. Первинні сигнали не завжди зручно (а іноді неможливо) безпосередньо передавати по лінії зв'язку. Тому первинні сигнали за допомогою передавача ПРД перетворюються на так звані вторинні сигнали, характеристики яких добре узгоджуються з характеристиками лінії зв'язку.
Канал зв'язку - сукупність технічних пристроїв (перетворювачів) і середовища поширення, що забезпечують передачу сигналів на відстань.
Канали і системи зв'язку, що використовують штучне середовище розповсюдження (металеві дроти, оптичне волокно), називаються провідними, а канали і системи зв'язку, в яких сигнали передаються через відкритий простір - радіоканалами і радіосистемами.
Умовна класифікація сучасних видів електрозв'язку показана на Рис. 3.6. Всі види електрозв'язку за типом переданих повідомлень можуть бути розділені на призначені для передачі звукових повідомлень, оптичних повідомлень у вигляді рухливих зображень, оптичних повідомлень у вигляді нерухомих зображень і повідомлень між ЕОМ. У залежності від призначення повідомлень види електрозв'язку можуть бути розділені на призначені для передачі повідомлень індивідуального і масового характеру.
Рис. 3.6 Сучасні види електрозв'язку
Наведена на Рис. 3.6 класифікація досить умовна, оскільки останнім часом намітилася тенденція об'єднання видів електрозв'язку в єдину інтегральну систему на основі цифрових методів передачі і комутації для передачі всіх видів повідомлень.