Видео- и радиосигналы в системах передачи информации

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное 

образовательное учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

П. А. Землянухин

ВИДЕО- И РАДИОСИГНАЛЫ В СИСТЕМАХ 

ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2017

УДК 621.391(075.8)
ББК 32.811я73

З-535 

Печатается по решению кафедры информационной безопасности 

телекоммуникационных систем Института компьютерных технологий 
и информационной безопасности Южного федерального университета

(протокол №14 от 25.01.2017)

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор В.И. Марчук;

кандидат технических наук, доцент А.К.Шилов.

Землянухин, П. А.

З-535
Видео- и радиосигналы в системах передачи информации :

учебное пособие / Землянухин П.А. ; Южный федеральный 
университет.  Ростов-на-Дону – Таганрог : Издательство 
Южного федерального университета, 2017. – 119 с.
ISBN 978-5-9275-2394-8

Учебное пособие содержит материал лекций, читаемых по 

дисциплинам
«Теория 
электрической 
связи» 
для 
студентов 

специальности
10.05.02
«Информационная 
безопасность 

телекоммуникационных систем» и «Теория и средства передачи 
данных» для студентов специальности 09.05.01 «Применение и 
эксплуатация автоматизированных систем специального назначения»
всех форм обучения. В учебном пособии дается понятие модуляции 
сигналов. Рассмотрены различные виды видео- и радиосигналов.
Рассмотрен ряд структурных и электрических принципиальных схем, 
позволяющих 
сформировать 
видеои 
радиосигналы 
в 
ходе 

модуляции.

УДК 621.391(075.8)

ББК 32.811я73

ISBN 978-5-9275-2394-8

© Южный федеральный университет, 2017
© Землянухин П.А., 2017

ВВЕДЕНИЕ

Применительно к системам передачи информации важным 

моментом является рассмотрение теоретических и практических 
вопросов 
формирования 
и 
особенностей 
применения 

электромагнитных колебаний, которые используются для передачи, 
приема и извлечения информации, содержащейся в сигналах. Не 
маловажную роль здесь играет решение вопросов, связанных с 
формированием высокоэффективных модулированных сигналов. В 
связи с этим, целью учебного пособия является рассмотрение 
различных 
видов 
модулированных 
сигналов, 
методов 
их 

формирования, используемых в системах передачи информации. 
Учебное 
пособие 
предназначено 
для 
студентов, 
изучающих 

дисциплины «Теория электрической связи» специальности 10.05.02 
«Информационная безопасность телекоммуникационных систем» и 
«Теория и средства передачи данных» специальности
09.05.01 

«Применение 
и 
эксплуатация 
автоматизированных 
систем 

специального назначения».

Большой 
вклад 
в 
формировании 
концепции 
передачи 

информации на большие расстояния с помощью электромагнитных 
волн внесли известные ученые девятнадцатого века: итальянский 
физик А. Вольта, французский ученый А.М. Ампер, английский физик 
М. Фарадей, С.Б. Якоби, американский художник и изобретатель 
С. Морзе, английский физик Д.К. Максвел, немецкий физик Г. Герц и 
множество других. Впервые идея о передаче сигналов с помощью 
электромагнитных волн была озвучена и осуществлена 7 мая 1895 г. 
русским ученым А.С. Поповым на заседании Русского физикохимического 
общества. 
Несколько 
позже 
А.С. Попов 

продемонстрировал радиотелеграфную связь. Помощник А.С. Попова 
П.Н. Рыбкин в 1898г. доказал, что радиотелеграфные сигналы могут 
приниматься на слух. Это открытие способствовало увеличению 
дальности радиосвязи [1].

За 
десятилетия, 
с 
того 
момента, 
как 
А.С. Попов 

продемонстрировал 
радиотелеграфную 
связь, 
средства 
связи 

претерпели значительные изменения, которые были направлены на их 

совершенствование и улучшение технических характеристик (были 
созданы 
электровакуумные 
и 
полупроводниковые 
приборы, 

интегральные схемы и узлы средств связи в виде интегральных схем, 
полупроводниковые лазеры и оптоволоконные линии связи и т.д.). 
Произошло 
существенное 
увеличение 
дальности 
и 
качества 

радиосвязи. В то же время на всех этапах совершенствования средств 
связи используется такой вид формирования сигналов, как модуляция. 
Большой вклад в развитие систем передачи информации внесли такие 
ученые, как: А. Н. Колмогоров и А. Я. Хинчип (они разработали 
основы математического аппарата); В. А. Котельников (заложил 
теоретические основы цифровых систем передачи информации, 
построил теорию потенциальной помехоустойчивости); К. Э. Шеннон 
(создал теорию кодирования, что позволило повысить качество 
передачи сообщений). В
работах 
А.А. Харкевича, Р. Хартли, 

В.И. Сифорова, 
Ф.М. Вудворда, 
Х. Найквиста, 
Н. Винера, 

Я.З. Ципкина и др. ученых было осуществлено дальнейшее развитие 
систем передачи информации [2].

Существуют три понятия: информация, сообщение и сигнал, 

которые, как правило, отождествляют в повседневной жизни, 
несмотря на то, что они имеют различный физический смысл. Так под 
информацией понимают обмен сведениями между людьми, человеком 
и автоматом, автоматом и автоматом [3]. Под сообщением понимают 
форму представления информации, а под сигналом – физический 
процесс, несущий сообщение (информацию) о каком-либо событии 
[2]. Таким образом, применительно к системам передачи информации, 
под сигналом понимают процесс или явление, которые позволяют 
переместить информацию из одной точки пространства в другую.

Источниками сообщений могут быть, например, человек, 

озвучивающий некоторый набор слов, изменение во времени 
температуры некоторого объекта, газ, перемещаемый в трубопроводе 
и т.д. Таким образом, источник сообщения вызывает к действию 
некоторое физическое явление. Это может быть, например, изменение 
давления, скорости, ускорения, объема, температуры, направления и 
т.д. Изменения физических явлений приводят к формированию 

сигналов различными преобразователями сообщений в сигнал. Это так 
называемые первичные сигналы [4]. Простейшим преобразователем 
сообщения в сигнал является угольный микрофон. В этом устройстве 
давление, оказываемое на мембрану и соответственно на угольный 
порошок, преобразуется в сигнал. Спектр первичных сигналов, как 
правило, располагается в окрестности нулевой частоты: телефонный 
речевой сигнал имеет ширину спектра от 300 Гц до 3,4 кГц; спектр 
телевизионного видеосигнала простирается от 50 Гц до 6,5 МГц [5].

Сигналы 
относительно 
признаков, 
им 
свойственных, 

классифицируют следующим образом [6, 7]:

– непрерывные, импульсные, дискретные, цифровые;
– одно-, двух- и более мерные сигналы;
– узкополосные и широкополосные;
– детерминированные и случайные.
Применительно к тому, что планируется рассмотреть в данном 

учебном пособии, сигналы можно разделить на два больших класса: 
видеосигналы (видеоимпульсы) и радиосигналы (радиоимпульсы). 
Под видеосигналами (видеоимпульсами)      
будем понимать 

сигналы, описываемые непрерывной функцией времени, имеющие 
бесконечное 
множество 
значений
относительно 
бесконечного 

множества временных отсчетов (это правомерно и относительно 
одного 
видеоимпульса). 
Видеосигналы 
не 
имеют 
никакого 

высокочастотного гармонического заполнения. Спектральный состав
видеосигналов располагается в окрестности нулевой частоты. Под 
радиосигналом (радиоимпульсом) будем понимать следующее. Пусть
функция      описывает поведение видеосигнала во времени. В этом 
случае 
радиосигнал, 
соответствующий 
этому 
видеосигналу, 

представляет
высокочастотное заполнение
                    

   ,
огибающей 
которого 
является 
видеосигнал, 
при 
этом 

максимальные значения
амплитуд высокочастотного заполнения 

соответствуют интенсивностям видеосигнала в эти же моменты 
времени, где 0
–
круговая частота, а 0
–
начальная фаза 

высокочастотного заполнения радиосигнала.

Таким образом, с выхода преобразователя сообщения в сигнал 

последний, 
представляющий 
собой 
видеосигнал, 
поступает 
в 

передатчик, где подвергается различным преобразованиям, исходя из 
требований работы канала связи. Это может быть усиление сигнала по 
напряжению, току или мощности; перенос спектра сигнала по оси 
частот и т.д. Одним из видов преобразования сигналов является 
модуляция. Под модуляцией сигналов понимают следующее. С целью
передачи информации из одной точки пространства в другую несущее 
колебание, представляющее собой детерминированный сигнал, и 
управляющий 
сигнал, 
представляющий 
собой 
видеосигнал,

необходимо объединить в один радиосигнал. Это осуществляется 
путем 
модуляции.
При 
этом 
видеосигнал, 
несущий 
в 
себе 

информацию, выступает в роли модулирующего сигнала, несущее 
колебание, некоторый параметр которого изменяется в процессе 
модуляции, выступает в роли модулируемого. На выходе модулятора 
получают модулированный сигнал.

При модуляции в роли несущих колебаний могут использоваться

следующие типы сигналов:

– гармонические колебания (рис. 1, а), представляющие собой 

функцию косинуса                    или функцию синуса
                   ;

– последовательность прямоугольных импульсов (рис. 1, б), где 

длительность импульсов, период их следования и амплитуда 
импульсов от импульса к импульсу остаются постоянными;

– постоянный ток (рис. 1, в), который в процессе модуляции 

может изменяться по интенсивности и по направлению;

– шумоподобные сигналы (рис. 1, г), представляющие собой 

множество
единичных интервалов длительностью 
, которым 

поставлены в соответствие расположенные случайным образом 
простейшие по форме сигналы (sin(x), cos(x), прямоугольные 
импульсы и т. д.).

Все несущие колебания имеются несколько параметров, которые 

можно изменить, воздействуя на них другим (управляющим) 
сигналом. Это позволяет сформировать модулированный сигнал. 

Рассматривая 
гармонический 
сигнал, 
например, 
сигнал, 

изменяющийся по закону косинуса                    , можно 
получить сигналы с амплитудной (АМ), частотной (ЧМ) и фазовой 
(ФМ) модуляциями. В первом случае амплитуда   
несущего 

колебания 
модулируется 
в 
соответствии
с 
интенсивностью 

модулирующего сигнала, во втором случае модулируется частота, а в 
третьем – мгновенная фаза несущего колебания.

t

 
0
0

0
0

а

б

в

г
t

t

t

u

u
u

i

Рис. 1. Разновидности несущих колебаний: 

гармоническое колебание (а), последовательность прямоугольных 

импульсов (б), постоянный ток (в), шумоподобный сигнал (г)

Если 
в 
качестве 
несущего 
колебания 
использовать

последовательность прямоугольных импульсов (рис. 1, б), то можно 
получить следующие виды модуляции сигналов:


амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), где происходит

модуляция амплитуд импульсов периодической последовательности, а 
длительность и период следования импульсов остаются постоянными;


широтно-импульсная модуляция (ШИМ), где происходит

модуляция 
длительности 
импульсов 
периодической 

последовательности, а амплитуда и период следования импульсов 
остаются постоянными;


фазоимпульсная 
модуляция 
(ФИМ), 
при 
которой 

модулируется
момент 
времени 
появления 
импульса 
в 

последовательности импульсов, а амплитуда и период следования 
импульсов остаются неизменными.

При использовании постоянного тока в роли несущего можно 

осуществить модуляцию по форме (происходит изменение величины
тока в каждый момент времени) или по направлению протекания тока
(в моменты времени, определяемые интенсивностью модулирующего 
сигнала, меняется направление протекания тока в цепи).

Используя в качестве несущих шумоподобные сигналы, можно 

осуществить модуляцию этих сигналов по фазе, амплитуде или форме.
Таким образом, при использовании в качестве несущего колебания 
гармонических 
сигналов, 
можно 
получить 
амплитудно
модулированные, частотно-модулированные и фазомодулированные 
колебания, которые будут представлять собой радиосигналы. Если 
модулирующий 
сигнал 
будет 
дискретным 
(цифровым), 
то 

модулированный
сигнал 
будет 
представлять 
собой 
поток 

радиоимпульсов. Подобную модуляцию относят к высокочастотной 
модуляции. 
При 
использовании 
в 
качестве 
несущих 

последовательности прямоугольных импульсов, постоянного тока и 
шумоподобных сигналов, модулированные сигналы представляют 
собой поток видеоимпульсов. Подобные виды модуляции называют 
низкочастотной
модуляцией.
Низкочастотная модуляция, как 

правило, является первичной модуляцией, которую используют для 
преобразования исходных управляющих сигналов, к виду удобному 
для дальнейшей их обработки, в каналах передачи информации.

1. ВИДЕОСИГНАЛЫ В СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ 

ИНФОРМАЦИИ

1.1. Основные понятия

В литературных источниках под видеосигналами понимают 

сигналы специальной формы, несущие в себе информацию о 
телевизионном изображении [8, 9]. В то же время в [10] говорится, что 
видеосигналы используют в радиолокации. В [6] дается более общее 
понятие видеосигнала, как сигнала, не имеющего высокочастотного 
гармонического заполнения. Подобная трактовка более общая и 
приемлема к широким областям применительно к системам передачи 
информации, автоматики и т.д. В связи с этим в дальнейшем под 
видеосигналом
будем 
понимать 
сигналы, 
не 
имеющие 

высокочастотного 
гармонического 
заполнения, 
спектр 
которых 

располагается в окрестности нулевой частоты.

Применительно 
к 
видеосигналам 
под 
низкочастотной 

модуляцией будем понимать модуляцию, когда в ходе модуляции
сообщение преобразуется в электрический сигнал, либо исходный 
сигнал приводится к виду, удобному для использования в конкретном 
канале связи, но при этом высокочастотное гармоническое заполнение 
сигнала отсутствует.

По своей структуре каналы связи могут быть аналоговыми и

цифровыми, аналогово-цифровыми и цифроаналоговыми. В этом 
случае 
в
конкретном
канале
связи, 
когда 
осуществляется

преобразование сигналов в ходе низкочастотной модуляции в роли 
несущего сигнала (модулируемого сигнала), используют постоянный 
ток, периодическую последовательность прямоугольных импульсов 
или шумоподобные сигналы.

В аналоговых,
либо в аналогово-цифровых каналах связи 

сообщение является непрерывной функцией. Эта функция изменяется
по случайному закону (речь человека; давление газа в трубопроводе, 
закон изменения температуры и т.д.). В ходе преобразования этих 
сообщений в сигналы последние также будут представлять собой

непрерывные
функции
времени, изменяющиеся по случайному 

закону. При подобных преобразованиях (модуляции) в роли несущего 
сигнала выступает
постоянный ток, который протекает
через 

соответствующий
преобразователь
сообщения в сигнал.
Сигнал, 

полученный на выходе преобразователя сообщения в сигнал, будет 
являться видеосигналом.

Рассмотрим модуляцию постоянного тока на следующем 

примере. Рассмотрим преобразование речи человека в электрический 
сигнал (рис. 2, а). В этом примере электрическая цепь состоит из 
последовательно соединенных
угольного
микрофона, источника

напряжения питания Е и сопротивления нагрузки   . Пусть в 
исходном состоянии сопротивление микрофона равно
  . При 

наличии звукового давления на мембрану микрофона сопротивление 
микрофона начнет изменяться      , что отражено на эквивалентной 
схеме цепи (рис. 2, б), где P – звуковое давление.

Рис. 2. Электрическая цепь (а), эквивалентная схема цепи (б) и 

диаграмма, поясняющая работу цепи (в)

В то время, когда давление воздуха на мембрану микрофона

отсутствует (нет никакого сообщения), сопротивление микрофона 
будет постоянным   . В этом случае в цепи будет протекать
постоянный ток (рис. 2, в):

   
 

     

 
(1)

На сопротивлении нагрузки
  
будет падать
постоянное 

напряжение:

         
  

     

 
(2)