76650

Первичные сигналы электросвязи и их параметры

Практическая работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Основными первичными сигналами электросвязи являются: телефонный звукового вещания факсимильный телевизионный телеграфный передачи данных. Описанием сигнала может служить некоторая функция времени. Однако такое полное определение сигнала не всегда требуется. Достаточно описание в виде нескольких параметров характеризующих основные свойства сигнала с точки зрения его передачи.

Русский

2015-01-30

162.04 KB

6 чел.

Практическое занятие 1 - Первичные сигналы электросвязи и их параметры

Сигналы электросвязи: телефонный, проводного вещания; телевизионный; дискретные сигналы; модуляция и ее виды: амплитудная, балансная, однополосная.

Системы связи должны быть спроектированы таким образом, чтобы качественно, то есть своевременно и без потерь передавать информацию, содержащуюся в исходном сообщении. Исходные сообщения преобразуются в электрические сигналы преобразователями.

Первичные электрические сигналы формируются на выходе первичных преобразователей сообщений. Основными первичными сигналами электросвязи являются: телефонный, звукового вещания, факсимильный, телевизионный, телеграфный, передачи данных. Все они с точки зрения получателя меняются случайным образом, то есть являются случайными процессами.

Описание сигналов электросвязи необходимо для их адекватной обработки в процессе передачи. Описанием сигнала может служить некоторая функция времени. Определив так или иначе данную функцию, определяем и сигнал. Однако такое полное определение сигнала не всегда требуется. Достаточно описание в виде нескольких параметров, характеризующих основные свойства сигнала с точки зрения его передачи.

Если провести аналогию с транспортированием грузов, то для транспортной сети определяющими параметрами груза являются его масса и габариты. Сигнал также является объектом транспортирования, а техника связи - техникой транспортирования (передачи) сигналов по каналам связи.

Рассмотрим основные характеристики наиболее распространенных видов сообщений: звуковые и оптические.

Телефонный (речевой) сигнал. 

Звук - это колебательное движение частиц упругой среды, распространяющиеся в виде волн в газообразных, жидких или твердых средах и воспринимаемые органами чувств человека.

 Для анализа звука могут быть использованы различные методы. Одной из широко применяемых характеристик звука является его спектр, получаемый в результате разложения звука на гармонические составляющие. Человек может слышать звуки в диапазоне частот от 4… 6 Гц до 20 кГц. Частота основной составляющей спектра определяет воспринимаемую на слух высоту звука, а набор гармонических составляющих - тембр звука. Энергетическая характеристика звуковых колебаний определяется звуковым давлением, воспринимаемым человеком как громкость звука.

Источниками звука могут быть любые явления, вызывающие местные изменения давления. В качестве источников звука широко применяются колеблющиеся твердые тела, например, струны и деки музыкальных инструментов, диффузоры громкоговорителей, мембраны телефонов и разнообразные электроакустические преобразователи. В качестве приемников звука используются микрофоны и другие акустоэлектрические преобразователи.

Звуки речи образуются в результате прохождения воздушного потока из легких через голосовые связки и полости рта и носа. Частота импульсов основного тона (f0 на Рис. 1) лежит в пределах от 50..80 Гц (бас) до 200..250 Гц (женский и детский голоса). Импульсы основного тона содержат большое число гармоник (до 40) (2f0,..,nf0 на Рис. 1), причем их амплитуды убывают с увеличением частоты со скоростью приблизительно 12 дБ на октаву (кривая 1 на Рис. 1). (Напомним, что октавой называется диапазон частот, верхняя частота которого в два раза выше нижней. Т.о. амплитуда гармоники 2f0 на 12 дБ больше, чем гармоники 4f0 и т.д.). При разговоре частота основного тона f0 меняется в значительных пределах.

Рисунок 1 - Спектральный состав речевого сигнала

В процессе прохождения воздушного потока из легких через голосовые связки и полости рта и носа образуются звуки речи, причем мощность гармоник частоты основного тона меняется (кривая 2 на Рис.1). Области повышенной мощности гармоник частоты основного тона называются формантами (см. Рис. 1). Различные звуки речи содержат от двух до четырех формант. Высокое качество передачи телефонного сигнала характеризуется уровнем громкости, разборчивостью, естественным звучанием голоса, низким уровнем помех. Эти факторы определяют требования к телефонным каналам.

Основными параметрами телефонного сигнала являются:

  1.  мощность телефонного сигнала PТЛФ. Согласно данным МСЭ-Т средняя мощность телефонного сигнала в точке с нулевым измерительным уровнем на интервале активности составляет 88 мкВт. С учетом коэффициента активности (0,25) средняя мощность телефонного сигнала PСР равна 22 мкВт. Кроме речевых сигналов в канал связи могут поступать сигналы управления, набора номера и пр. С учетом этих сигналов среднюю мощность телефонного сигнала принимают равной 32 мкВт, т.е. средний уровень телефонного сигнала составляет pСР = 10 lg (32 мкВт/1мВт) = - 15 дБм0;
  2.  коэффициент активности телефонного сообщения, т.е. отношение времени, в течение которого мощность сигнала на выходе канала превышает заданное пороговое значение, к общему времени занятия канала для разговора. При разговоре каждый из собеседников говорит приблизительно 50% времени. Кроме того, отдельные слова, фразы отделяются паузами. Поэтому коэффициент активности составляет 0,25..0,35.
  3.  динамический диапазон определяется выраженным в децибелах отношением максимальной и минимальной мощности сигнала (дБ). Динамический диапазон телефонного сигнала составляет DС=35...40 дБ;
  4.  пик-фактор сигнала , который составляет 14 дБ. При этом максимальная мощность, вероятность превышения которой исчезающе мала, равна 2220 мкВт (+3,5 дБм0);
  5.  энергетический спектр речевого сигнала - область частот, в которой сосредоточена основная энергия сигнала (Рис. 2) , где - спектральная плотность среднего квадрата звукового давления; - порог слышимости (минимальное звуковое давление, которое начинает ощущаться человеком с нормальным слухом на частотах 600..800 Гц); Df = 1 Гц. Из Рис.2 следует, что речь представляет собой широкополосный процесс, частотный спектр которого простирается от 50..100 Гц до 8000..10000 Гц. Установлено, однако, что качество речи получается вполне удовлетворительным при ограничении спектра частотами 300..3400 Гц. Эти частоты приняты МСЭ-Т в качестве границ эффективного спектра речи. При указанной полосе частот слоговая разборчивость составляет около 90%, разборчивость фраз - более 99% и сохраняется удовлетворительная натуральность звучания.

Рисунок 2 - Энергетический спектр речевого сигнала

Сигналы звукового вещания. Источником звука при передаче программ вещания обычно являются музыкальные инструменты или голос человека.

Динамический диапазон вещательной передачи следующий: речь диктора 25..35 дБ, художественное чтение 40..50 дБ, вокальные и инструментальные ансамбли 45..55 дБ, симфонический оркестр до 65 дБ. При определении динамического диапазона максимальным считается уровень, вероятность превышения которого равна 2%, а минимальным - 98%.

Средняя мощность сигнала вещания существенно зависит от интервала усреднения. В точке с нулевым измерительным уровнем средняя мощность составляет 923 мкВт при усреднении за час, 2230 мкВт - за минуту и 4500 мкВт - за секунду. Максимальная мощность сигнала вещания в точке с нулевым измерительным уровнем составляет 8000 мкВт.

Частотный спектр сигнала вещания расположен в полосе частот 15..20000 Гц. При передаче как телефонного сигнала, так и сигналов вещания полоса частот ограничивается. Для достаточно высокого качества (каналы вещания первого класса) эффективная полоса частот должна составлять 0,05..10 кГц, для безукоризненного воспроизведения программ (каналы высшего класса) 0,03...15 кГц.

Факсимильный сигнал. Он формируется методом построчный развертки. Частотный спектр первичного факсимильного сигнала определяется характером передаваемого изображения, скоростью развертки и размерами сканирующего пятна. Для параметров факсимильных аппаратов, рекомендованных МСЭ-Т, верхняя частота сигнала может составлять 732, 1100 и 1465 Гц. Динамический диапазон сигнала составляет около 25 дБ, пик-фактор равен 4,5 дБ при 16 градациях яркости.

Телевизионный сигнал. Он также формируется методом развертки. Анализ показывает, что энергетический спектр телевизионного сигнала сосредоточен в полосе частот 0..6 МГц. Динамический диапазон DС » 40 дБ, пик-фактор 4,8 дБ.

В программах телевизионного вещания к звуковым сообщениям добавляются оптические сообщения, а также дополнительная информация, необходимая для согласованной работы передающего и приемного устройств. Более подробно сигналы телевизионного вещания будут рассмотрены в последующих разделах. Здесь отметим лишь основные характеристики сигналов телевизионного вещания.

Стандарты телевизионного вещания в разных странах могут быть разными. В нашей стране для передачи сигналов черно-белого изображения используется диапазон частот от 0 до 6 МГц. Передачу сигналов цветности осуществляют в том же частотном диапазоне, что и сигналов черно-белого изображения. Цветное телевидение должно быть совместимым с черно-белым, то есть черно-белые передачи должны одинаково восприниматься на цветных и черно-белых приемниках. В то же время цветные передачи на черно-белых приемниках должны восприниматься как черно-белые передачи.

Сигналы звукового сопровождения занимают отдельную полосу частот в спектре телевизионного сигнала. Динамический диапазон телевизионного сигнала составляет приблизительно 40 дБ.

Дискретный сигнал. Основным параметром дискретного сигнала с точки зрения его передачи является требуемая скорость передачи (бит/с).

Аналогичные параметры определяются и для каналов связи. Параметры каналов связи должны быть не меньше соответствующих параметров сигналов.

Свести параметры аналоговых сигналов к единому параметру (скорости передачи) позволяет преобразование этих сигналов в цифровые (см. подраздел 8.2 "Цифровая обработка аналоговых сигналов").

Общие сведения о модуляции

Модуляция - это процесс преобразования одного или нескольких информационных параметров несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями информационного сигнала.

В результате модуляции сигналы переносятся в область более высоких частот.

Использование модуляции позволяет:

  1.  согласовать параметры сигнала с параметрами линии;
  2.  повысить помехоустойчивость сигналов;
  3.  увеличить дальность передачи сигналов;
  4.  организовать многоканальные системы передачи (МСП с ЧРК).

Модуляция осуществляется в устройствах модуляторах. Условное графическое обозначение модулятора имеет вид:

Рисунок 1 - Условное графическое обозначение модулятора

При модуляции на вход модулятора подаются сигналы:

u(t) — модулирующий, данный сигнал является информационным и низкочастотным (его частоту обозначают W или F);

S(t) — модулируемый (несущий), данный сигнал является неинформационным и высокочастотным (его частота обозначается w0 или f0);

Sм(t) — модулированный сигнал, данный сигнал является информационным и высокочастотным.

В качестве несущего сигнала может использоваться:

  1.  гармоническое колебание, при этом модуляция называется аналоговой или непрерывной;
  2.  периодическая последовательность импульсов, при этом модуляция называется импульсной;
  3.  постоянный ток, при этом модуляция называется шумоподобной.

Так как в процессе модуляции изменяются информационные параметры несущего колебания, то название вида модуляции зависит от изменяемого параметра этого колебания.

1. Виды аналоговой модуляции:

  1.  амплитудная модуляция (АМ), происходит изменение амплитуды несущего колебания;
  2.  частотная модуляция (ЧМ), происходит изменение частоты несущего колебания;
  3.  фазовая модуляция (ФМ), происходит изменение фазы несущего колебания.

2. Виды импульсной модуляции:

  1.  амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), происходит изменение амплитуды импульсов несущего сигнала;
  2.  частотно-импульсная модуляция (ЧИМ), происходит изменение частоты следования импульсов несущего сигнала;
  3.  Фазо-импульсная модуляция (ФИМ), происходит изменение фазы импульсов несущего сигнала;
  4.  Широтно-импульсная модуляция (ШИМ), происходит изменение длительности импульсов несущего сигнала.

Амплитудная модуляция

Амплитудная модуляция - процесс изменения амплитуды несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями модулирующего сигнала.

Рассмотрим математическую модель амплитудно-модулированного (АМ) сигнала при гармоническом модулирующем сигнале. При воздействии модулирующего сигнала

u(t)=Umu sinΩ t                                                                             (1)

на несущее колебание

S(t)=Um sin(ω0t+φ)                                                                       (2)

происходит изменение амплитуды несущего сигнала по закону:

Uам(t)=Umам Umu sinΩ t                                                         (3)

где аам — коэффициент пропорциональности амплитудной модуляции.

Подставив (3) в математическую модель (2) получим:

Sам(t)=(Umам Umu sinΩ t) sin(ω0t+φ).                                    (4)

Вынесем Um за скобки:

Sам(t)=Um(1+аам Umu/Um sinΩ t) sin(ω0t+φ)                           (5)

Отношение аамUmu/Um = mам называется коэффициентом амплитудной модуляции. Данный коэффициент не должен превышать единицу, т. к. в этом случае появляются искажения огибающей модулированного сигнала называемые перемодуляцией. С учетом mам математическая модель АМ сигнала при гармоническом модулирующем сигнале будет иметь вид:

Sам(t)=Um(1+mам sinΩ t) sin(ω0t+φ).                                         (6)

Если модулирующий сигнал u(t) является негармоническим, то математическая модель АМ сигнала в этом случае будет иметь вид:

Sам(t)=(Umам u(t)) sin(ω0t+φ).                                                 (7)

Рассмотрим спектр АМ сигнала для гармонического модулирующего сигнала. Для этого раскроем скобки математической модели модулированного сигнала, т. е. представим его в виде суммы гармонических составляющих.

Sам(t)=Um(1+mам sinΩ t) sin(ω0t+φ)= Um sin(ω0t+φ)+

+mамUm/2 sin((ω0 - Ω) t+φ) - mамUm/2 sin((ω0 +Ω)t+φ).      (8)

Как видно из выражения в спектре АМ сигнала присутствует три составляющих: составляющая несущего сигнала и две составляющих на комбинационных частотах. Причем составляющая на частоте ω0 - Ω называется нижней боковой составляющей, а на частоте ω0 + Ω  — верхней боковой составляющей. Спектральные и временные диаграммы модулирующего, несущего и амплитудно-модулированного сигналов имеют вид (рисунок 2).

Ширина спектра для данного сигнала будет определятся выражением

Δωам=(ω0+Ω)-(ω0-Ω)=2Ω                                                      (9)

Рисунок 2 - Временные и спектральные диаграммы модулирующего (а), несущего (б) и ампдтудно-модулированного (в) сигналов

Если же модулирующий сигнал является случайным, то в этом случае в спектре составляющие модулирующего сигнала обозначают символически треугольниками (рисунок 3).

Составляющие в диапазоне частот от (ω0Ωmax) до (ω0Ωmin) образуют нижнюю боковую полосу (НБП), а составляющие в диапазоне частот от (ω0 + Ωmin) до (ω0 + Ωmax) образуют верхнюю боковую полосу (ВБП)

Рисунок 3 - Временные и спектральные диаграммы сигналов при случайном модулирующем сигнале

Ширина спектра для данного сигнала будет определятся

Δωам=(ω0max) — (ω 0 - Ω max)=2 Ω max                                   (10)

На рисунке 4 приведены временные и спектральные диаграммы АМ сигналов при различных индексах mам. Как видно при mам=0 модуляция отсутствует, сигнал представляет собой немодулированную несущую, соответственно и спектр этого сигнала имеет только составляющую несущего  сигнала  (рисунок 4, а), при индексе модуляции mам=1 происходит глубокая модуляция, в спектре АМ сигнала амплитуды боковых составляющих равны половине амплитуды составляющей несущего сигнала (рисунок 4в), данный вариант является оптимальным, т. к. энергия в большей степени приходится на информационные составляющие. На практике добиться коэффициента равного едините тяжело, поэтому добиваются соотношения 0<mам<1 (рисунок 4б). При mам>1 происходит перемодуляция, что, как отмечалось выше, приводит к искажению огибающей АМ сигнала, в спектре такого сигнала амплитуды боковых составляющих превышают половину амплитуды составляющей несущего сигнала (рисунок 4г).

Рисунок 4 - Временные и спектральные диаграммы АМ сигналов при различных mам: а) при mам=0, б) при mам=0,5, в) при mам=1, г) при mам>1

Основными достоинствами амплитудной модуляции являются:

  1.  узкая ширина спектра АМ сигнала;
  2.  простота получения модулированных сигналов.

Недостатками этой модуляции являются:

  1.  низкая помехоустойчивость (т. к. при воздействии помехи на сигнал искажается его форма — огибающая, которая и содержит передаваемое сообщение);
  2.  неэффективное использование мощности передатчика (т. к. наибольшая часть энергии модулированного сигнала содержится в составляющей несущего сигнала до 64%, а на информационные боковые полосы приходится по 18%).

Амплитудная модуляция нашла широкое применение:

  1.  в системах телевизионного вещания (для передачи телевизионных сигналов);
  2.  в системах звукового радиовещания и радиосвязи на длинных и средних волнах;
  3.  в системе трехпрограммного проводного вещания.

Балансная и однополосная модуляция

Как отмечалось выше, одним из недостатков амплитудной модуляции является наличие составляющей несущего сигнала в спектре модулированного сигнала. Для устранения этого недостатка применяют балансную модуляцию. При балансной модуляции происходит формирование модулированного сигнала без составляющей несущего сигнала. В основном это осуществляется путем использования специальных модуляторов:  балансного или кольцевого. Временная диаграмма и спектр балансно-модулированного (БМ) сигнала представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 - Временные и спектральные диаграммы модулирующего (а), несущего (б) и балансно-модулированного (в) сигналов

Также особенностью модулированного сигнала является наличие в спектре двух боковых полос несущих одинаковую информацию. Подавление одной из полос позволяет уменьшить спектр модулированного сигнала и, соответственно, увеличить число каналов в линии связи. Модуляция при которой формируется модулированный сигнал с одной боковой полосой (верхней или нижней) называется однополосной. Формирование однополосно-модулированного (ОМ) сигнала осуществляется из БМ сигнала специальными методами, которые рассматриваются ниже. Спектры ОМ сигнала представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 - Спектральные диаграммы однополосно-модулированных сигналов: а) с верхней боковой полосой (ВБП), б) с нижней боковой полосой (НБП)


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

49926. Электроснабжение жилого района города 19.28 MB
  Все здания, представленные на плане застройке, являются жилыми. Общественные здания располагаются на первых этажах зданий (соответственно, первый этаж нежилой). Во всех корпусах предусмотрена подземная парковка на 100 машин мест.
49929. Проектирование участка ТО-2 на 323 автомобилей КамАЗ-5320 680.5 KB
  При ТО2 проводят более глубокую проверку состояния всех механизмов и приборов автомобиля со снятием приборов питания и электрооборудования для контроля и регулировки в специализированных цехах выполнение в установленном объёме крепёжных регулировочных смазочных и других работ обслуживание узлов и агрегатов со снятием кроме базовых с автомобиля. Общая информация по тягачам КамАЗ5320: Тягач Назначение: Автомобиль тягач предназначенный для работы преимущественно с прицепами Марка: КамАЗ Модель серия: 5320 Технические...
49930. Общая микробиология, вирусология и иммунология 509.5 KB
  В учебном пособии представлены краткие материалы в виде лекций по основным направлениям общей и частной бактериологии, вирусологии и иммунологии в соответствии с Программой по микробиологии, вирусологии, иммунологии для студентов лечебных, медико - профилактических и педиатрических факультетов высших медицинских учебных заведений
49931. Участок автоматизированной технологической линии для производства детали типа вал вторичный 2.45 MB
  Стоимость основного технологического оборудования определяется по выражению: где – балансовая стоимость единицы основного технологического оборудования занятого на iой операции определяемая по выражению: где – оптовая цена оборудования по прейскуранту; – коэффициент транспортно-заготовительных расходов; – коэффициент строительно-монтажных расходов; – коэффициент пусконаладочных расходов. Базовый вариант Проектный вариант руб.
49932. Электропривод подъемного механизма крана 286.47 KB
  К их числу относятся доставка сырья и полуфабрикатов к истокам технологических процессов и межоперационные перемещения изделий в процессе обработки погрузочно-разгрузочные работы на складах железнодорожных станциях и т. Основное внимание уделяется задаче регулирования координат тока и скорости. Грузоподъемность кг 7000 Масса захватного приспособления кг 25 Диаметр барабана мм 550 Передаточное число редуктора 50 Кратность полиспаста 1 КПД передачи 093 Скорость подъема м мин 15 Высота подъема м 17 Продолжительность включения механизма...