1. Предмет теории передачи сигналов

Линией связи называется среда, используемая для передачи сигналов от передатчика к приемнику. В системах электрической связи, в частности, это пара проводов, кабель или волновод, в системах радиосвязи — область пространства, в которой распространяются электромагнитные волны от передатчика к приемнику.
При передаче сигнал может искажаться и на него могут воздействовать помехи ω(t). Приемник обрабатывает принятый сигнал x(t), искаженный помехой, и восстанавливает по нему переданное сообщение u(t). Обычно в приемнике выполняются операции, обратные тем, которые были осуществлены в передатчике.
Каналом связи принято называть совокупность технических средств, служащих для передачи сообщения от источника к потребителю. Этими средствами являются передатчик, линия связи и приемник. Канал связи вместе с источником и потребителем образует систему связи. Различают системы передачи дискретных сообщений (например, система телеграфной связи) и системы передачи непрерывных сообщений (системы радиовещания, телевидения, телефонии и т. п.). Существуют также системы связи смешанного типа, в которых непрерывные сообщения передаются дискретными сигналами. К таким системам относятся, например, системы импульсно-кодовой модуляции.
Система связи называется многоканальной, если она обеспечивает взаимонезависимую передачу нескольких сообщений по одному общему каналу связи.
Система связи может служить не только для передачи информации от человека к человеку, но и для передачи результатов измерения параметров какого-нибудь (процесса или воздействий, предназначенных для управления объектом.
Система телеизмерения (телеметрии) подобна системе связи. В этой системе физическая величина, подлежащая измерению (температура, давление, скорость и т. п.), с помощью датчиков воздействует на передатчик, где она преобразовывается в сигнал и передается по каналу. На приемном конце переданная физическая величина или ее изменения выделяются из сигнала и наблюдаются, или регистрируются с помощью приборов. В системе телеуправления предусмотрено выполнение определенных действий в соответствии с измеряемой величиной. Для этой цели имеются регулирующие устройства и цепь обратной связи.
3. Сообщение и сигнал. Канал связи
Под информацией понимают сведения о каком-либо явлении, событии, объекте. Информация, выраженная b определенной форме, представляет собой сообщение, иначе говоря, сообщение — это то, что подлежит передаче. Сигнал является материальным носителем сообщения.
В качестве сигнала можно использовать любой физический процесс, изменяющийся в соответствии с переносимым сообщением. Существенно то, что сигналом является не сам физический процесс, а изменения отдельных параметров этого процесса. Указанные изменения определяются тем сообщением, которое несет данный сигнал. Правила этих изменений — код — обычно задаются заранее.
В системах связи сигнал предназначен для передачи информации от отправителя к получателю. Код полностью известен как на передающей, так и приемной сторонах — он устанавливается заранее.
Сообщения и соответствующие им сигналы бывают дискретными и непрерывными. Дискретное сообщение представляет собой последовательность отдельных элементов. Физическая природа этих элементов может быть любой. Сигнал в этом случае также представляет собой дискретную последовательность отдельных элементов, соответствующих элементам передаваемого сообщения. С дискретными сигналами мы встречаемся в цифровой вычислительной технике, в телеграфии. Так, гари передаче обычной телеграммы сообщением является теист телеграммы, элементами сообщения — буквы, сигналами — кодовые комбинации, соответствующие этим буквам.
Непрерывное сообщение — это некоторая физическая величина (звуковое давление, температура и т. п.), принимающая любые значения в заданном интервале. Сообщение с помощью датчиков преобразовывается в непрерывно изменяющуюся электрическую величину u(t) — видеосигнал. При передаче речи такое преобразование выполняет микрофон, а при передаче изображения — электронно-лучевая трубка. В большинстве случаев видеосигнал является низкочастотным колебанием, которое отображает передаваемое сообщение. Для удобства анализа видеосигнал часто условно рассматривают как сообщение, которое необходимо передать по каналу связи.
В некоторых случаях видеосигнал непосредственно передается по линии. Так поступают, например, при обычной городской телефонной связи. Для передачи на большие расстояния (по кабелю или радио) видеосигнал преобразовывается в высокочастотный сигнал (радиосигнал) (рис. 1.2).
Во многих случаях сигнал отображает временные процессы, происходящие в некоторой системе. Поэтому описанием конкретного сигнала может быть некоторая функция времени s(t). Определив так или иначе эту функцию, мы определяем и сигнал. Однако такое полное описание сигнала требуется не всегда. Для решения ряда вопросов достаточно более общего описания в виде нескольких обобщенных параметров, характеризующих основные свойства сигнала, подобно тому, как это делается в системах транспортирования.

Рис. 1.2. Преобразование непрерывного сообщения в сигнал
Указывая габариты и вес, мы характеризуем основные свойства предмета с точки зрения условий его транспортирования; другие свойства (например, цвет) с этой точки зрения являются несущественными.
Сигнал есть также объект транспортирования, а техника связи есть, то существу, техника транспортирования (передачи) сигналов по каналам связи. Поэтому целесообразно определить параметры сигнала, которые являются основными с точки зрения его передачи. Такими параметрами являются длительность сигнала, его динамический диапазон и ширина спектра.
Всякий сигнал, рассматриваемый как временной процесс, имеет начало и конец. Поэтому длительность сигнала Т является естественным его параметром, определяющим интервал времени, в пределах которого сигнал существует.
Характеристиками сигнала внутри интервала его существования являются динамический диапазон и скорость изменения сигнала. Динамический диапазон определяется как отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к наименьшей. Динамический диапазон речи диктора, например, равен 25-30 дб, небольшого вокального ансамбля — 45-55 дб, симфонического оркестра — 65-75 дб.
В реальных условиях всегда имеют место помехи. Для удовлетворительной передачи требуется, чтобы наименьшая мощность сигнала превышала мощность помех. Отношение сигнала к помех характеризует относительный уровень сигнала. Обычно определяется логарифм этого отношения, который называется превышением сигнала над помехой. Это превышение и принимается в качестве второго параметра сигнала.
Третьим параметром является ширина спектра сигнала F. Эта величина даёт представление о скорости изменения сигнала внутри интервала его существования. Спектр сигнала может простираться в пределах очень большого диапазона частот. Однако для многих сигналов можно указать диапазон частот, в пределах которого сосредоточена его основная энергия. Этим диапазоном и определяется ширина спектра сигнала.
В технике связи спектр сигнала часто сознательно ограничивается. Это обусловлено тем, что аппаратура и линия связи имеют ограниченную полосу пропускаемых частот. Ограничение спектра осуществляется, исходя из допустимых искажений сигнала. Например, при телефонной связи требуется выполнить два условия: чтобы речь была разборчива и корреспонденты могли узнать друг друга по голосу. Для выполнения этих условий спектр речевого сигнала можно ограничить полосой от 300 до 3400 Гц. Передача более широкого спектра речи в этом случае нецелесообразна, так как это ведет к техническим усложнениям и увеличению затрат.
Второй пример. Необходимая ширина спектра телевизионного сигнала определяется требуемой четкостью изображения. При стандарте 625 строк, который принят в Советском Союзе, верхняя частота сигнала получается порядка 6 МГц. Спектр телевизионного сигнала много шире спектра звукового сигнала. Это существенно усложняет построение систем телевизионного вещания по сравнению с системами звукового вещания. Ширина спектра телеграфного сигнала зависит от скорости передачи и обычно принимается равной F 1,5 v, где v — скорость телеграфирования в бодах, определяющая количество переданных телеграфных посылок за единицу времени. Так, при телетайпной передаче v=50 бод и F=75гц.
Спектр модулированного сигнала обычно шире спектра передаваемого сообщения (видеосигнала) и зависит от вида модуляции Канал связи можно характеризовать так же, как и сигнал, третий параметрами: временем, в течение которого по каналу ведется передача, динамическим диапазоном и полосой пропускания канала. Типы каналов, по которым передаются сообщения, многочисленны и разнообразны. Широкое применение находят каналы проводной связи, коротковолновой радиосвязи с использованием отражения от ионосферы, ультракоротковолновой связи ионосферного и тропосферного рассеяния, метеорной связи, космической связи и т. п. Характеристики этих каналов значительно отличаются друг от друга.
Общими признаками различных каналов являются следующие. Во-первых, большинство каналов можно считать линейными. В таких каналах выходной сигнал представляет собой просто сумму входных сигналов (принцип суперпозиции). Во-вторых, на выходе канала даже при отсутствии полезного сигнала всегда имеются помехи. В- третьих, сигнал при передаче по каналу претерпевает задержку во времени и затухание по уровню. И, наконец, в реальных каналах всегда имеют место искажения сигнала, обусловленное несовершенством канала.
Сигнал на выходе канала можно записать в следующем виде: