Лекция. Виды сигналов и помех в телекоммуникационных системах

 

Цель лекции: Понятие о первичных сигналах электросвязи. Область применения и основные характеристики. Параметры первичных электрических сигналов

 

Содержание:

- сигналы телефонирования;

- сигналы звукового вещания;

- факсимильные сигналы;

- сигналы телевизионного вещания.

 

 

В настоящее время системы электросвязи предназначены для передачи следующих первичных сигналов: телефонирования, звукового вещания, телеграфирования и передачи данных, факсимильных, телевизионного вещания. Рассмотрим основные параметры и характеристики этих сигналов.

Сигналы телефонирования представляют собой последовательности речевых импульсов, отделенных друг от друга паузами. Речевые импульсы соответствуют звукам речи, произносимым слитно, и весьма разнообразны по форме и амплитуде. длительности отдельных импульсов также отличаются друг от друга, но обычно они близки к 100...... 150 мс. Паузы между импульсами изменяются в значительно большем диапазоне: от нескольких миллисекунд (междуслоговые паузы) до нескольких минут или даже десятков минут (паузы при выслушивании ответа собеседника).

Частотный спектр речевого сигнала очень широк, однако экспериментально было установлено, что для передачи с достаточно высоким качеством (с удовлетворительной натуральностью и разборчивостью слогов — 90 % и фраз — 99 %) можно ограничиться полосой частот 0,3...З,4 кГц.

 

 

Рисунок 27.1. Плотность вероятности динамических уровней телефонного сигнала и его динамический диапазон

 

Величина пикфактора сигнала при этом равна

Отношение у тф = 10lg(P тф/ Р изм), дБм0 называется динамическим уровнем (волюмом) ТФ сигнала. В этом выражении Р изм — мощность измерительного сигнала в точке тракта, где проводится исследование. Согласно рекомендациям МСЭ-Т волюмы измеряются специальным прибором (волюмметром), обеспечивающим квадратичный закон суммирования колебаний различных частот, имеющим логарифмическую шкалу (в децибелах) и постоянную времени (время интегрирования) Т н = 200 мс. Статистическими исследованиями установлено, что распределение волюмов подчиняется гауссовому закону со средним значением у тфср= -12,7 дБм0 и среднеквадратическим отклонением σу, = 4,3 дБ (рис. 27.1.).

где W (у) — плотность распределения волюмов, у тфср - среднее значение волюма, а σу - его среднеквадратическое отклонение.

Уровень P тф ср, соответствующий средней мощности в ТНОУ может быть найден в результате перехода от среднего логарифма к логарифму среднего по формуле

тогда P тф ср = 1· 100,1(-10,57) = 88 мкВт0 — средняя мощность ТФ сигнала в ТНОУ без учета пауз.

Влияние пауз учитывается посредством коэффициента активности К а источника сигнала. Он равен отношению времени, в течение которого уровень сигнала на его выходе превышает установленное пороговое значение (обычно —40 дБм0), к общему времени разговора. для ТФ сигналов К а = 0,25. Тогда средняя мощность ТФ сигнала с учетом пауз P тф ср п= К а P тф ср + 10 = 32 мкВт0 (—15 дБмО), где второе слагаемое правой части,

 

 

равное 10 мкВт0, вводится согласно рекомендациям МСЭ-Т, как поправка на повышенную мощность сигналов, сопровождающих ТФ разговор (служебные переговоры персонала и СУВ, передаваемые по тому же каналу). С учетом выражения (27.1) несложно определить и максимальный уровень Р тф макс, соответствующий максимальной мощности Р тф макс и напряжению ограничения U огр

для сигналов, передаваемых по каналам ЦТС принимают обычно Р тф макс равным +3 дБм0, а для сигналов, передаваемых посредством аналоговых систем передачи - +3,5 дБмО. В последнем случае максимальная мощность Р тф макс очевидно будет равна 2220 мкВт0.

Минимальным считается волюм, меньше которого волюмы появляются с вероятностью ε≤10-3. Воспользовавшись таблицами интеграла вероятности, определим минимальную величину волю- ма, которая оказывается равной

Очевидно, что уровень Р тф мин соответствующий минимальному сигналу, будет на величину пикфактора ниже у тф Таким образом, динамический диапазон сигнала D с тф, с учетом формул (27.1) и (27.2), составит величину (рисунок 27.3)

 

Сигналы звукового вещания (ЗВ) по своему характеру близки к речевым телефонным сигналам, поэтому их отличия от последних носят, в основном, количественный характер. Частотный спектр сигналов ЗВ ограничивают без заметного снижения качества передачи полосой частот 0,03... 15 кГц для каналов высшего класса и полосой частот 0,05...10 кГц для каналов первого класса. Сигналы Зн по сравнению с телефонными имеют значительно меньше пауз, а энергия отдельных импульсов, особенно музыкальных, существенно превышает энергию речевых импульсов сигналов ТФ. Поэтому средняя мощность сигналов ЭВ намного больше средней мощности ТФ сигналов. Нормируются среднесекундная, среднеминутная и среднечасовая мощности Р звср равные соответственно 4500, 2230 и 923 мкВт0. Максимальная мощность определяется при вероятности превышения ε= 0,02 и составляет 8000 мкВт0. Минимальная мощность рассчитывается при вероятности превышения (1 - ε) = 0,98.

Так, для канала первого класса он равен 0,5, т.е. мощность невзвешенной помехи может достигать 16000/0,52=64000пВт0, следовательно, помехозащищенность сигналов ЗВ должна быть не хуже

Таким образом, потенциальная информационная емкость сигнала ЗВ первого класса может достигать

 

 

Факсимильные сигналы (сигналы передачи неподвижных изображений) получаются в результате преобразования светового потока, отражаемого элементами изображения, в электрические сигналы. Предполагается, что полоса частот такого сигнала находится в пределах 0.. F р, причем F р - частота рисунка —связана с длительностью самого короткого импульса т соотношением F р = 1/2 τи. В свою очередь, τи, определяется диаметром светового пятна d c и скоростью развертки ‚Vp(скорость перемещения светового пятна по рисунку): τи = d c/ Vp. При передаче документов выбирают d c = 0,15 мм и Vp <440 мм/с, тогда τи = 0,34 мс, а F р =1 500 Гц. При передаче газетных полос d c <0,06 мм, а Vp< 30 м/с. Частота при этом достигает 250 кГц.

Помехозащищенность сигналов ФС Апз фс (отношение амплитуды сигнала к действующему напряжению флуктуационной помехи) принимается равной 35 дБ. При передаче штриховых изображений потенциальная информационная емкость сигналов ФС

При передаче полутоновых изображений в копиях должны различаться 16 градаций яркости, при этом динамический диапазон сигнала

Сигналы телевизионного вещания (ТВ) состоят из суммы сигналов яркости (изображения), аналогичных полутоновым сигналам ФС, сигналов цветности и так называемой «синхросмеси» — комбинации импульсов синхронизации строк и полукадров и импульсов гашения обратного хода луча. Частота рисунка Fp сигналов яркости может быть подсчитана исходя из того, что число элементов изображения в кадре равно (4/3)/m, где m = 625 — число строк в кадре принятой системы ЦТ СЕКАМ, а 4/3 — отношение размеров кадра по горизонтали и вертикали. Учитывая, что в секунду передается 25 кадров (50 полукадров, состоящих поочередно из четных и нечетных строк изображения), имеем = (4/3)m2·25/2 = 6,5 МГц. Однако практически вся энергия сигналов яркости сосредоточена в диапазоне 0... 1,5 МГц.

 

12. Лекция. Принципы преобразования аналоговых сообщений в цифровую форму

 

Цель лекции: Понятия о дискретизация по времени. Понятия о квантовании по уровню. Понятия о кодировании

Содержание:

-преобразование сигнала;

- частотные составляющие импульсных последовательностей со скважностями;

- Виды амплитудно-импульсной модуляции;

 

Аналого-цифровое преобразование (АЦП) сигналов является одной из важнейших составляющих цифровых телекоммуникационных систем. Аналого-цифровое преобразование обычно состоит из нескольких последовательных операций, как показано на рисунке 28.1. Эти операции таковы.

 

 

Рисунок 28.1. Аналого-цифровое преобразование сигнала

 

Дискретизация сигнала во времени реализуется посредством амплитудно-импульсной модуляции — модуляции импульсного переносчика (АИМ). В качестве переносчика используется последовательность прямоугольных импульсов с более или менее стабильной частотой следования f0 (рисунке 4.2,а). Кск =То/τu, где Тo — период следования импульсов То = 1/ f0. По Фурье, спектральный состав такой последовательности равен

На рисунке 28.2 показаны частотные составляющие импульсных последовательностей со скважностями 10, 4 и 2. На практике применяются последовательности со скважностями несколько десятков, что соответствует почти плоской форме огибающей спектра. Простейший амплитудно-импульсный модулятор представляет собой ключ, срабатывающий при прохождении импульса переносчика и пропускающий при этом сигнал на свой выход (рис. 28.3,а,б).

 

Рисунок 28.2. Последовательность прямоугольных импульсов (а) и спектральный состав таких последовательностей с различными Кск (б)

 

На рисунке 28.3,в показан сигнал АИМ-2, у которого амплитуды импульсов соответствуют мгновенным значениям исходного сигнала, взятых в моменты возникновения импульсов переносчика. Сумма всех коэффициентов mi равна единице, т.е.

Для двуполярного сигнала имеем

Из формулы следует, что спектр канального сигнала (модулированной импульсной последовательности) будет состоять из спектра исходного сигнала и спектров нижней и верхней боковых полос у каждой составляющей спектра импульсной последовательности, как это показано на рисунке 28.4,а.

Данный анализ справедлив для АИМ-1. для АИМ-2 результат несколько отличен. Это видно из рисунка 28.4,б. По мере увеличения скважности импульсов переносчика, это отличие становится все менее заметным. Однако в некоторых видах оборудования ЦТС на приеме используются амплитудно-модулированные импульсы, с шириной, приближающейся к тактовому интервалу, т.е. с Кск, стремящимся к единице. Этот случай иллюстррует рисунок 28.5.

 

а – модулятор АИМ-1; б – АИМ-1; в – АИМ-2

Рисунок 28.3. Виды амплитудно-импульсной модуляции

 

В ЦСП первых поколений применялся однополярный исходный сигнал, поэтому

Рисунок 28.4. Спектры сигналов при АИМ-1(а) и АИМ-2 (б)

 

 

Рисунок 28.5. Спектры АИМ-1 и АИМ-2 при Кск, стремящимся к единице

 

Квантование сигнала по уровню является главной операцией аналого-цифрового преобразования сигнала и заключается в округлении его мгновенных значений до ближайших разрешенных, как это показано на рисунке 28.6.

На нем показан АИМ сигнал, по вертикали отмечены восемь уровней квантования (с 0-го по 7-й). Расстояния между уровнями одинаковые, т.е. имеет место равномерное или линейное квантование, и равны шагу квантования ∆uk

Рисунок 28.6. Возникновение ошибки квантования

 

Аналого-цифровое преобразование завершается операцией кодирования, которая в данном случае заключается в преобразовании уровней отсчетов непрерывных сигналов в кодовые комбинации. При этом обычно используются равномерные двоичные коды, в которых число кодовых символов или разрядов кодовых комбинаций равно m, а каждый символ может принимать значение 0 или 1.