1.2. СИСТЕМЫ, КАНАЛЫ И СЕТИ СВЯЗИ

На рис. 1.2 изображена структурная схема простейшей одноканалъной системы связи. Рассмотрим назначение отдельных элементов этой схемы. Источником сообщений и получателем в одних системах связи может быть человек, в других — различного рода устройства (автомат, вычислительная машина и т.д.). Устройство, преобразующее сообщение в сигнал, называют передающим, а устройство, преобразующее принятый сигнал в сообщение, — приёмным. С помощью первичного преобразователя в передающем устройстве сообщение а, которое может иметь любую физическую природу (изображение, звуковое колебание и т.п.), преобразуется в первичный электрический сигнал . В телефонии, например, эта операция сводится к превращению акустических колебаний в пропорционально изменяющееся электрическое напряжение на выходе микрофона. В телеграфии с помощью телеграфного аппарата последовательность элементов сообщения (букв) заменяется последовательностью кодовых символов (0, 1 или точка, тире), которая одновременно преобразуется в последовательность электрических импульсов постоянного тока. В передатчике первичный сигнал (обычно низкочастотный) превращается во вторичный (высокочастотный) сигнал пригодный для передачи по используемому каналу. Это осуществляется посредством модуляции.

Преобразование сообщения в сигнал должно быть обратимым. В этом случае по выходному сигналу можно восстановить входной первичный сигнал, т.е. получить всю информацию, содержащуюся в переданном сообщении. В противном случае часть информации будет потеряна при передаче

Рис. 1.2. Структурная схема простейшей одноканальной системы связи

Линией связи называется физическая среда и совокупность аппаратных средств, используемых для передачи сигналов от передатчика к приёмнику. В системах электрической связи — это прежде всего кабель или волновод, в системах радиосвязи — область пространства, в котором распространяются электромагнитные волны от передатчика к приёмнику. При передаче канальный сигнал может искажаться и на него могут накладываться помехи Приёмное устройство обрабатывает принятое колебание представляющее собой сумму пришедшего искажённого сигнала и помехи и восстанавливает по нему сообщение а, которое с некоторой погрешностью отображает переданное сообщение а. Другими словами, приёмник должен на основе анализа колебания определить, какое из возможных сообщений передавалось. Поэтому приёмное устройство является одним из наиболее ответственных и сложных элементов системы связи.

Совокупность технических средств для передачи сообщений от источника к потребителю называется системой связи. Этими средствами являются передающее устройство, линия связи и приёмное устройство. Иногда в понятие система связи включается источник и потребитель сообщений. По виду передаваемых сообщений различают следующие системы связи: передача речи (телефония); передача текста (телеграфия); передача неподвижных изображений (фототелеграфия); передача подвижных изображений (телевидение), телеизмерение, телеуправление и передача данных. По назначению телефонные и телевизионные системы делят на вещательные, отличающиеся высокой степенью художественности воспроизведения сообщений, и профессиональные, имеющие специальное применение (служебная связь, промышленное телевидение и т.п.). В системе телеизмерения физическая величина, подлежащая измерению (температура, давление, скорость и т.п.), с помощью датчиков преобразуется в первичный электрический сигнал, поступающий на передатчик. На приёмном конце переданную физическую величину или её изменения выделяют из сигнала и наблюдают или регистрируют с помощью записывающих приборов. В системе телеуправления осуществляется передача команд для автоматического выполнения определённых действий. Нередко эти команды формируют автоматически на основании результатов измерения, переданных телеметрической системой.

Внедрение высокоэффективных ЭВМ привело к необходимости быстрого развития систем передачи данных, обеспечивающих обмен информацией между вычислительными средствами и объектами автоматизированных систем управления. Этот вид электросвязи по сравнению с телеграфной отличается более высокими требованиями к скорости и верности передачи информации.

Каналом связи называется совокупность средств, обеспечивающих передачу сигнала от некоторой точки А системы до точки Б (рис. 1.3). Точки А к Б могут быть выбраны произвольно, лишь бы между ними проходил сигнал. Часть системы связи, расположенная до точки А, является источником сигнала для этого канала. Если сигналы, поступающие на вход канала и снимаемые с его выхода, являются дискретными (по уровням), то канал называется дискретным.

Если входные и выходные сигналы канала являются непрерывными (по уровню), то и канал называется непрерывным.

Рис. 1.3. Структурная схема канала связи

Встречаются также дискретно-непрерывные и непрерывно-дискретные каналы, на вход которых поступают дискретные сигналы, а с выхода снимаются непрерывные, или наоборот. Из сказанного видно, что канал может быть дискретным или непрерывным независимо от характера передаваемых сообщений. Более того, в одной и той же системе связи можно выделить как дискретный, так и непрерывный канал. Всё зависит от того, каким образом выбраны точки входа и выхода канала.

Канал связи можно характеризовать так же, как и сигнал, тремя параметрами: временем Тк, в течение которого по каналу возможна передача, динамическим диапазоном и полосой пропускания канала Под динамическим диапазоном канала понимают отношение допустимой мощности передаваемого сигнала к мощности неизбежно присутствующей в канале помехи, выраженное в децибелах.

Типы каналов, по которым передаются сигналы, многочисленны и разнообразны. Различают каналы проводной связи (воздушные, кабельные, световодные и др.) и каналы радиосвязи. Кабельные линни связи являются основой магистральных сетей дальней связи, по ним осуществляется передача сигналов в диапазоне частот от десятков до сотен Весьма перспективными являются волоконно-оптические линии связи. Они позволяют в диапазоне 600...900 ТГц (0,5...0,3 мкм) обеспечить очень большую пропускную способность (сотни или сотни тысяч каналов). Наряду с проводными линиями связи широко используются радиолинии различных диапазонов (от сотен до десятков Эти линии более экономичны и незаменимы для связи с подвижными объектами. Наибольшее распространение для многоканальной радиосвязи получили радиорелейные линии метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов на частотах от 60 МГц до 15 ГГц. Разновидностью являются тропосферные линии с использованием отражений от неоднородностей тропосферы. Всё большее применение находят спутниковые линии связи — с ретранслятором на Для этих линий (систем) связи отведены диапазоны частот Большая дальность при одном ретрансляторе на спутнике, гибкость и возможность организации глобальной связи — важные преимущества спутниковых систем.

Общими признаками непрерывных каналов являются следующие. Во-первых, большинство каналов можно считать линейными. В таких каналах выходной сигнал является суммой откликов отдельных входных сигналов и помех (применим принцип суперпозиции), а продукты нелинейных преобразований в канале малы по сравнению с выходными сигналами. Во-вторых, на выходе канала даже в отсутствие полезного сигнала всегда имеются помехи. В-третьих, сигнал при передаче по каналу претерпевает задержку по времени и затухание по уровню. И наконец, в реальных каналах всегда имеют место искажения сигнала, обусловленные несовершенством характеристик канала и нередко изменениями параметров канала во времени. Обобщённой характеристикой канала является его емкость (объём)

Необходимым условием неискажённой передачи по каналу сигналов с объёмом очевидно, должно быть

Преобразование первичного сигнала в высокочастотный сигнал часто и преследует цель согласования сигнала с каналом. В простейшем случае сигнал согласуют с каналом по всем трём параметрам, т.е. добиваются выполнения условий:

При этих условиях объём сигнала полностью "вписывается" в объём канала.

Однако неравенство (1.3) может выполняться и тогда, когда одно или два из неравенств (1.4) не выполнены. Это означает, что можно производить "обмен" длительности на ширину спектра или ширину спектра на динамический диапазон и т.д. Пусть, например, записанный на плёнку телефонный сигнал, имеющий ширину спектра 3 кГц, необходимо передать через канал, полоса пропускания которого 300 Гц. Это можно осуществить, воспроизводя сигнал со скоростью, в 10 раз меньшей той, с которой он был записан. При этом все частоты исходного сигнала уменьшатся в 10 раз и во столько же раз увеличится время передачи. Принятый сигнал также записывается на плёнку, а затем, воспроизведя его со скоростью, в 10 раз большей, можно восстановить исходный сигнал. Аналогично можно передать сигнал быстрее, если полоса пропускания канала шире спектра сигнала.

Значительно больший интерес представляет возможность обмена динамического диапазона на полосу пропускания. Так, используя широкополосные помехоустойчивые виды модуляции (см. гл.8), можно передать сообщение с динамическим диапазоном, например 60 дБ, по каналу, в котором сигнал превышает помеху всего лишь на 20 дБ. При этом используется полоса пропускания канала в несколько раз более широкая, чем спектр сообщения.

В системе связи, представленной на рис. 1.1, передача сообщений осуществляется в одном направлении от источника к получателю. Такой режим связи называется симплексным. Режим, при котором обеспечивается возможность одновременной передачи сообщений в прямом и обратном направлении, называется дуплексным. Возможен и полудуплексный режим, когда обмен сообщений осуществляется поочередно.

Система связи называется многоканальной, если она обеспечивает передачу нескольких сообщений по одной общей линии связи. Структурная схема простейшей многоканальной системы связи изображена на рис. 1.4. Здесь первичные сигналы подлежащие передаче, преобразуются посредством модуляторов в электрические сигналы а затем смешиваются в аппаратуре уплотнения. Полученный таким образом групповой сигнал передаётся по линии связи. Приёмник из принятого колебания с помощью устройства разделения (фильтров выделяет индивидуальные сигналы преобразуемые посредством демодуляторов (детекторов) в соответствующие первичные сигналы Для разделения сигналов на приёмном конце, очевидно, необходимо, чтобы они различались между собой по некоторому признаку. В практике многоканальной связи преимущественно применяют частотный и временной способы разделения.

Для обмена сообщениями между многими территориально разнесёнными пользователями (абонентами) создаются сети связи, обеспечивающие передачу и распределение сообщений по заданным адресам (в заданное время и с установленным качеством). Распределение потоков сообщений по заданным адресам осуществляется на узлах связи с помощью коммутационных устройств. По

Рис. 1.4. Структурная схема простейшей многоканальной системы передачи

способу распределения сообщений сети делятся на некоммутируемые и коммутируемые. В первом случае связь между абонентами осуществляется по постоянно закреплённым каналам по принципу "каждый с каждым". Во втором случае абоненты связываются между собой не непосредственно, а через узлы коммутации. Сеть связи представляет собой совокупность оконечных (абонентских) устройств, каналов связи (соединительных линий) и узлов коммутации. В зависимости от числа абонентов и размеров обслуживаемой территории сети могут иметь различную структуру: линейную, радиальную кольцевую, радиально-узловую и т.п. Задача оптимального построения сетей связи является одной из важнейших задач теории и техники связи. Решается эта задача с помощью теории графов и теории массового обслуживания.