Теория электрической связи через цифровую обработку сигналов с примерами в MATLAB


В. А. Филимонов






                ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ ЧЕРЕЗ ЦИФРОВУЮ ОБРАБОТКУ СИГНАЛОВ




с примерами в MATLAB

Учебное пособие







Москва Вологда Инфра-Инженерия 2022

УДК 621.398+621.396+004.383.3
ББК 32.884+32.973+32.842
      Ф53







      Филимонов, В. А.
Ф53 Теория электрической связи через цифровую обработку сигналов с примерами в MATLAB : учебное пособие / В. А. Филимонов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 780 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0820-2

           Современные средства телекоммуникации строятся на основе цифровой обработки сигналов. Однако большинство изданий по теории электрической связи только ссылаются на использование цифровой обработки. Данная книга является первой попыткой в отечественной литературе перевести «классическую» теорию электрической связи в область цифровой обработки и тем самым приблизить ее к современной реальности. Автором по-новому рассмотрены основные разделы современной теории электрической связи. Листинги программ в книге и электронном приложении, выполненные в среде MATLAB, помогают лучше усвоить материал. Примеры иллюстрируют обработку записанных с радиоэфира сигналов электросвязи.
           Книга предназначена для студентов, аспирантов и преподавателей. Она также будет полезна всем, кто интересуется цифровой обработкой сигналов электросвязи. Представленный материал может быть положен в основу курса в профильных вузах.

УДК 621.398+621.396+004.383.3
                                              ББК 32.884+32.973+32.842



Приложения к книге доступны для скачивания на сайте издательства «Инфра-Инженерия» (www.infra-e.ru)





ISBN 978-5-9729-0820-2    © Филимонов В. А., 2022
                           © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ

Благодарности............................................................8
Предисловие..............................................................9
Глава 1. Общие сведения о системах электрической связи и сигналах ......13
  1.1. Основные понятия и определения в системе электросвязи............13
  1.2. Обобщенная структурная схема системы электросвязи ...............15
  1.3. Структурная схема системы цифровой связи.........................20
  1.4. Классификация сигналов...........................................23
  1.5. Преобразование типов сигналов ...................................29
  1.6. Основные числовые характеристики непрерывных сигналов ...........47
  1.7. Основные числовые характеристики цифровых сигналов ..............50
Глава 2. Спектральное представление сигналов ...........................56
  2.1. Разложение сигналов в обобщенный ряд Фурье ......................56
  2.2. Гармонический анализ периодических сигналов .....................70
   2.2.1. Действительный ряд Фурье......................................70
   2.2.2. Разложение простых сигналов в действительный ряд Фурье .......72
   2.2.3. Комплексный ряд Фурье ........................................84
   2.2.4. Распределение мощности в спектре периодического сигнала ......94
  2.3. Гармонический анализ непериодических сигналов ...................95
  2.4. Спектр дискретного (цифрового) сигнала .........................100
   2.4.1. Дельта-функция ..............................................100
   2.4.2. Цифровой единичный импульс ..................................102
   2.4.3. Преобразование Фурье импульсного сигнала ....................103
   2.4.4. Преобразование Фурье дискретного (цифрового) сигнала ........107
  2.5. Дискретное преобразование Фурье ................................109
  2.6. Некоторые свойства преобразования Фурье ........................118
   2.6.1. Спектр сигнала, смещенного во времени .......................118
   2.6.2. Спектр сигнала, сжатого во времени ..........................119
   2.6.3. Смещение спектра сигнала (частотный сдвиг)...................120
   2.6.4. Свойство линейности .........................................122
  2.7. Основы спектрального анализа ...................................125
   2.7.1. Спектральная оценка финитных сигналов........................126
   2.7.2. Спектральная оценка случайных сигналов.......................127
   2.7.3. Уменьшение растекания оценки спектра.........................129
   2.7.4. Оценка спектра сигнала во времени............................133
Глава 3. Математические модели сигналов и помех .......................143
  3.1. Представление сигналов как случайных процессов .................143
   3.1.1. Основные характеристики случайных процессов .................143
     3.1.1.1. Вероятностные характеристики случайных процессов ........144
     3.1.1.2. Числовые характеристики случайных процессов .............148
   3.1.2. Понятия стационарности и эргодичности........................150

ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ ЧЕРЕЗ ЦИФРОВУЮ ОБРАБОТКУ СИГНАЛОВ

   3.1.3. Законы распределения случайной величины.......................151
   3.1.4. Спектральная плотность мощности случайного процесса...........161
   3.1.5. Белый шум.....................................................164
  3.2. Корреляция и свертка ............................................167
   3.2.1. Корреляция ...................................................167
   3.2.2. Корреляционные функции .......................................170
   3.2.3. Свертка сигналов .............................................176
   3.2.4. Корреляционные функции основных видов сигналов и бинарных последовательностей ................................................ 186
   3.2.5. Корреляционный прием .........................................193
   3.2.6. Прием на основе согласованной фильтрации......................199
   3.2.7. Быстрые алгоритмы согласованной фильтрации ...................205
  3.3. Комплексные сигналы .............................................209
   3.3.1. Аналитический сигнал .........................................210
   3.3.2. Получение аналитического сигнала .............................220
     3.3.2.1. Формирование аналитического сигнала с помощью ДПФ ........220
     3.3.2.2. Фильтровые способы получения аналитического сигнала ......222
     3.3.2.3. Формирование аналитического радиосигнала сдвигом спектра действительного радиосигнала........................................228
   3.3.3. Комплексный согласованный фильтр .............................231
   3.3.4. Комплексная огибающая.........................................239
   3.3.5. Основы SDR технологии ........................................249
Глава 4. Модуляция и детектирование аналоговых сигналов ................264
  4.1. Общие сведения о модуляции.......................................264
  4.2. Временное и спектральное представление модулированных сигналов ..269
4.2.1. Временное и спектральное представление амплитудно-модулированных сигналов...................................269
4.2.2. Временное и спектральное представление балансно-модулированных сигналов ....................................280
   4.2.3. Временное и спектральное представление сигналов с однополосной модуляцией ...........................................282
4.2.4. Временное и спектральное представление сигналов с угловой модуляцией.................................................287
     4.2.4.1. Временное представление сигналов с фазовой модуляцией.....288
     4.2.4.2. Временное представление сигналов с частотной модуляцией ..290
     4.2.4.3. Спектральное представление сигналов с угловой модуляцией .293
   4.2.5. Сложные модулирующие сигналы .................................299
  4.3. Автоматическая регулировка уровня речевого сигнала ..............303
  4.4. Детектирование модулированных сигналов ..........................310
   4.4.1. Детектирование АМ-сигналов ...................................311
   4.4.2. Детектирование БМ-сигналов....................................321
   4.4.3. Детектирование ОМ-сигналов ...................................324
   4.4.4. Детектирование ЧМ-сигналов ...................................329
  4.5. Помехоустойчивость систем передачи непрерывных сообщений.........340
  4.6. Общие сведения о каналах связи ..................................345
Глава 5. Теория кодирования сообщений...................................352
  5.1. Первичное кодирование ...........................................352

ОГЛАВЛЕНИЕ

5

   5.1.1. Неравномерные коды .............................................353
   5.1.2. Равномерные коды................................................356
   5.1.3. Кодирование и декодирование первичных кодов ....................363
  5.2. Экономное кодирование..............................................369
   5.2.1. Количественная мера информации .................................370
   5.2.2. Избыточность источника .........................................378
   5.2.3. Способы представления кодов.....................................378
   5.2.4. Алгоритмы статистического кодирования ..........................383
   5.2.5. Словарное кодирование ..........................................388
  5.3. Канальное кодирование..............................................390
   5.3.1. Основы помехоустойчивого кодирования ...........................391
   5.3.2. Линейные блочные помехоустойчивые коды..........................399
     5.3.2.I. Кодирование линейными блочными помехоустойчивыми кодами..399
     5.3.2.2. Обнаружение и исправление ошибок при использовании линейных блочных помехоустойчивых кодов..........................405
     5.3.2.3. Способность блочных кодов обнаруживать и исправлять ошибки .417
     5.3.2.4. Перемежение ................................................422
     5.3.2.5. Примеры использования блочных кодов ........................424
   5.3.3. Сверточные коды ................................................433
     5.3.3.I. Кодирование с использованием сверточных кодов ..............434
     5.3.3.2. Декодирование сверточных кодов .............................446
     5.3.3.3. Некоторые особенности сверточных кодов......................467

Глава 6. Цифровая модуляция............................................475
  6.1. Временное и частотное представление манипулированных сигналов ..475
   6.1.1. Временное и частотное представление амплитудно-манипулированных сигналов ......................................................... 477
   6.1.2. Временное и частотное представление фазоманипулированных сигналов ......................................................... 481
   6.1.3. Временное и частотное представление частотно-манипулированных сигналов ......................................................... 484
  6.2. Формирование сигналов с цифровой модуляцией .......................499
   6.2.1. Формирование сигналов цифровой модуляции методом ограничения спектра манипулирующего сигнала ...................................499
   6.2.2. Формирование сигналов цифровой модуляции с плавным переходом фазы несущего колебания ............................................504
   6.2.3. Межсимвольная интерференция, вносимая формирующим фильтром............................................................512
   6.2.4. Формирование сигналов цифровой модуляции заданием формы сигнальной посылки..................................................514
   6.2.5. Оценка временной формы комплексной огибающей сигналов цифровой модуляцией с помощью глазковой диаграммы...................520
  6.3. Многопозиционные сигналы. Геометрическое (векторное) представление сигналов цифровой модуляции .........................................521
   6.3.1. Понятие многопозиционного сигнала цифровой модуляции ........521
   6.3.2. Геометрическое (векторное) представление сигнальных посылок .527
   6.3.3. Сигналы с квадратурной амплитудной модуляций (КАМ) ..........532
   6.3.4. Манипуляционные коды ........................................536

ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ ЧЕРЕЗ ЦИФРОВУЮ ОБРАБОТКУ СИГНАЛОВ

  6.4. Оптимальный когерентный прием сигналов с цифровой модуляцией .....539
  6.5. Помехоустойчивость когерентного приема манипулированных сигналов .549
  6.6. Оптимальный некогерентный прием сигналов с цифровой модуляцией....560
   6.6.1. Оптимальный некогерентный демодулятор АМн-сигналов на согласованном фильтре ...........................................561
   6.6.2. Оптимальный некогерентный демодулятор ЧМн-сигналов на согласованном фильтре ...........................................565
  6.7. Неоптимальный некогерентный прием сигналов с цифровой модуляцией..571
  6.8. Относительная фазовая модуляция ..................................576
   6.8.1. Особенности относительной фазовой манипуляции .................580
   6.8.2. Формирование сигналов с ОФМн и демодуляция оптимальным когерентным методом.................................................582
   6.8.3. Демодуляция сигналов с ОФМ оптимальным некогерентным способом ...........................................................594
   6.8.4. Демодуляция сигналов с ОФМ автокорреляционным способом......601
   6.8.5. Разновидности сигналов с ОФМ ...............................607
   6.8.6. Взаимосвязь ОФМ и сигналов MSK и GMSK ......................616
Глава 7. Цифровая модуляция (продолжение) ............................621
  7.1. Модели каналов связи ..........................................621
   7.1.1. Влияние среды распространения на сигнал.....................621
   7.1.2. Модели каналов связи с замираниями .........................631
  7.2. Широкополосные системы связи...................................640
   7.2.1. Понятие базы сигнала........................................641
   7.2.2. Виды составных сигналов ....................................643
   7.2.3. Модуляция ШПС .................................................645
   7.2.4. Принципы использования информационной избыточности составных сигналов .......................................................... 649
     7.2.4.1. Использование сложных сигналов в многолучевом канале связи.650
     7.2.4.2. Подавление сосредоточенных помех при использовании ШПС ....654
   7.2.5. Применение ШПС в системах связи ...............................656
     7.2.5.1. Прямое расширение спектра...............................658
     7.2.5.2. Кодовое разделение сигналов ...............................665
7.3. Демодуляция сигнала в условиях МСИ методом компенсации ИХ канала связи.......................................................671
   7.3.1. Вычисление ИХ канала связи .................................673
   7.3.2. Устранение влияния МСИ по вычисленной ИХ канала связи ......678
  7.4. Технология ортогонального частотного разделения (OFDM) ........682
   7.4.1. Общие принципы OFDM.........................................683
   7.4.2. Понятие защитного интервала и его роль......................689
   7.4.3. Применение технологии OFDM в ДКМ канале связи ..............692
Глава 8. Синхронизация................................................696
  8.1. Основные виды синхронизации и их важность для правильной демодуляции ........................................................696
  8.2. Скремблирование данных ........................................701
  8.3. Влияние неточности синхронизации на демодуляцию сигналов с цифровой модуляцией...............................................706

ОГЛАВЛЕНИЕ

7

   8.3.1. Влияние неточности тактовой синхронизации на помехоустойчивость сигналов цифровой модуляции ..........................................707
   8.3.2. Влияние неточности частотной синхронизации на помехоустойчивость сигналов с цифровой модуляцией .......................................711
  8.4. Основные параметры и характеристики символьной синхронизации ......713
  8.5. Алгоритмы синхронизации ...........................................717
   8.5.1. Принципы построения систем (алгоритмов) синхронизаций ..........717
   8.5.2. Алгоритм ФАПЧ...................................................719
   8.5.3. Алгоритмы частотной синхронизации...............................726
   8.5.4. Алгоритмы символьной синхронизации..............................743
   8.5.5. Алгоритмы получения кадровой синхронизации......................753
  8.6. Примеры построения синхропреамбул и обнаружение передачи сигнала ..755
Послесловие ..............................................................760
Приложение ...............................................................761
Список использованной литературы .........................................774


Электронное приложение
(доступно для скачивания на сайте: https://infra-e.ru/products/t_ectrical_c)

БЛАГОДАРНОСТИ

    Автор выражает признательность своим родителям: Филимонову Александру Васильевичу - за запрещение использования его радиодеталей, что вызвало еще большее желание понять мир радиотехники (запретный плод ведь всегда сладок), Батыршиной Анне Ивановне - за борьбу с моей успеваемостью; учителю физики средней школы Андреенко Людмиле Дмитриевне - за привитие любви к «физике процесса»; учителю русского языка и литературы Гричаниной Марии Карповне - за попытку научить грамотности; своим учителям по ЦОС: Жолдасову Еркинбаю Саттаровичу и Улаховичу Дмитрию Андреевичу, а также коллективу кафедры - за оказанную поддержку в написании книги.
    Автор благодарит Сергиенко Александра Борисовича за высказанные замечания по пункту «Модели каналов связи». Однако далеко не все его замечания были учтены в книге.
    Отдельная благодарность старшему преподавателю Редковой Наталье Аркадьевне - человеку, всегда с интересом познающему новое, первому читателю и редактору, без ее работы книга имела бы не только орфографические и стилистические ошибки, но и неточности в формулах. В четвертой главе Наталью Аркадьевну можно смело назвать соавтором.

Услышал - забыл,увидел - запомнил, сделал - понял.
Китайская пословица



ПРЕДИСЛОВИЕ

    Представленная книга отличается от других изданий по теории электрической связи (ТЭС). Название «Теория электрической связи через цифровую обработку сигналов с примерами в MATLAB», по мнению автора, является громоздким, но именно оно отражает суть предлагаемого для изучения материала. Углубленное раскрытие многих вопросов, которые при «классическом» изложении были не поняты обучающимися, привело к значительному увеличению объема. Наличие большого количества листингов m-файлов, предлагаемых к набору в среде MATLAB, позволяет сделать вывод, что данная работа является в большей степени самоучителем, чем учебным пособием. Действительно, учитывая объем и глубину материала, ни один вуз не сможет выделить столько учебного времени для изучения одной дисциплины.
    Основы ТЭС были заложены в 40-х годах прошлого столетия [20]. Однако, несмотря на обилие работ по этой тематике, строгого определения теории электрической связи до сих пор не дано. Исходя из определения электросвязи как разновидности связи, использующей для передачи информации электромагнитные волны, можно сделать вывод, что ТЭС является наукой о методах передачи и приема сигналов электросвязи. Тогда она, как наука, неисчерпаема и содержит множество направлений (теорий). Тем не менее в учебных пособиях по ТЭС за редким исключением рассматривается только одно из направлений - теория статистической связи. Основной упор в этих книгах делается на математическое описание сигналов и процессов, а идеализированные алгоритмы обработки (неизменные с 50-х годов прошлого столетия) не ориентированы на современные методы, и в частности на методы цифровой обработки сигналов.
    Цифровая обработка сигналов (ЦОС) - это область науки и техники, в которой изучаются общие для различных технических приложений принципы, методы и алгоритмы обработки сигналов средствами вычислительной техники [29]. Именно ЦОС является инструментом, позволяющим «оживить» идеализированные алгоритмы ТЭС и, кроме того, развивать саму ТЭС. Использование ЦОС для обработки сигналов электросвязи имеет особенности, которые и представлены в книге.
    Таким образом, данная работа посвящена рассмотрению ТЭС «через призму» ЦОС. При написании книги было сложно определить ту границу, где заканчивается ЦОС и начинается ТЭС, поэтому в некоторых пунктах раскрываются вопросы ЦОС, которые, по мнению автора, необходимы для понимания излагаемого материала.

ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ ЧЕРЕЗ ЦИФРОВУЮ ОБРАБОТКУ СИГНАЛОВ

     Выбор среды программирования для большей наглядности и усвоения материала не случаен. Во множестве прикладных программ система MATLAB (компания The Math Works Inc.) занимает особое место. Первоначально ориентированная на исследовательские проекты, система в последние годы стала рабочим инструментом не только ученых, но также инженеров-разработчиков и студентов. В сообществе радиоинженеров, управленцев, физиков и связистов MATLAB получила необычайное распространение и, по сути, стала средством междисциплинарного и международного общения. Система MATLAB - это огромный мир средств и способов решения разнообразных задач в различных областях человеческой деятельности. Построенная по единым принципам для разных предметных областей, MATLAB одновременно является и операционной средой, и языком программирования. Во многих случаях именно с помощью этого инструментария инженер или студент может решить задачи с минимальными затратами времени и сил и прийти к цели кратчайшим путем. Это обстоятельство способно увлечь, сформировать неформальный интерес к основательному знакомству с MATLAB. Отметим, что в данной книге используется только один из инструментариев среды.
     Слово «MATLAB» состоит из начальных букв слов «Matrix Laboratory» -матричная лаборатория. Название системы полностью отражает ее суть. Это действительно матричная лаборатория, где начальным «кирпичиком» является не простая переменная или константа, а матрица и ее частные случаи - вектор-строка, вектор-столбец.
     В настоящее время MATLAB стала признанным лидером в решении различных проблем науки и техники среди подобных систем. Этому способствовало создание языка программирования, в котором были объединены преимущества традиционных языков (Fortran, Pascal, Basic, C++), и достаточно мощных средств визуализации и моделирования.
     Завершить «хвалебную оду» среде программирования MATLAB хотелось бы словами Артура Абрамовича Ланнэ:
     •  применение MATLAB позволяет использовать для решения задач самые последние достижения науки, так как система является плодом сотрудничества мирового сообщества ученых, его лучших представителей;
     •  разговор на языке MATLAB - это способ международного и междисциплинарного общения ученых и инженеров;
     •  работа в среде MATLAB доставляет удовольствие каждому, независимо от глубины профессиональной подготовки. Этот факт напоминает горные лыжи, когда истинное наслаждение от катания, воздуха, снега и гор получает и «чайник», и мастер спорта.
     Следствием развития среды стало то, что многие функции, используемые в старых версиях, не работают в новых. Это вызывает неудобство в работе с MATLAB. Необходимо также отметить, что новые версии требуют значительного ресурса от ЭВМ даже для работы простых программ. Большинство пакетов приложений в последних версиях среды MATLAB используют объектно

ПРЕДИСЛОВИЕ

11

ориентированное программирование. Это, с одной стороны, дает возможность создания лаконичных программ, описывающих работу целой системы; с другой - скрывает всю систему и принципы ее построения. Данное противоречие разрешено в книге простым и оригинальным способом. Первоначально функция (объект) моделируется с использованием элементарных операций, в некоторых случаях результат сравнивается с результатом работы функции (объекта) MATLAB. Продемонстрировав правильность работы модели с помощью элементарных операций, в дальнейшем для лаконичности программ автор использует функцию (объект) среды программирования.
     Несмотря на особенности материала, излагаемого в книге, ее содержание в целом совпадает с содержанием других изданий по ТЭС.
     В первой главе описывается общая модель системы связи, вводятся основные термины и определения, без которых невозможно дальнейшее изложение материала. Важность рассмотрения этой главы состоит еще и в том, что элементы системы связи «переплетены» между собой, - для описания каждого блока требуются общие понятия о других блоках. Кроме того, в главе осуществляется переход в мир ЦОС - «мир безразмерных величин».
     Вторая глава посвящена отображению сигналов в частотной области. Большая часть главы отведена дискретному преобразованию Фурье. В учебных пособиях по ЦОС этот вопрос описывается только как математическая операция и не увязан с сигналами электросвязи. С помощью представленного материала излагаются основы спектрального анализа.
     В третьей главе даны основные теоретические выкладки. Ключевым аспектом являются понятия аналитического сигнала и комплексной огибающей сигнала. Без их понимания дальнейшее изучение материала (за исключением пятой главы) невозможно, поэтому данному вопросу уделяется так много внимания.
     Четвертая глава посвящена формированию и демодуляции сигналов аналоговой модуляции при использовании ЦОС.
     В пятой главе рассматриваются различные виды кодирования.
     Шестая глава посвящена основным видам цифровой модуляции и методам их формирования и детектирования.
     В начале седьмой главы рассматриваются модели многолучевых каналов связи. Далее описываются виды цифровой модуляции, позволяющие передавать данные в этих каналах.
     Восьмая глава посвящена синхронизации. Рассматриваются основные виды и принципы построения систем синхронизации. Описывается ее влияние на помехоустойчивость сигналов с цифровой модуляцией.
     Материал, изложенный в книге, предполагает, что читатель прошел обучение ЦОС (обычно 72 часа) по «классическому» курсу [29] или [43] и знает основы MATLAB:
     •  построение матриц;
     •  работа с операторами for, if, while и др.;
     •  умение создавать т-файлы.

ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ ЧЕРЕЗ ЦИФРОВУЮ ОБРАБОТКУ СИГНАЛОВ

     Для изучения данных основ можно воспользоваться любой книгой о системе MATLAB (например, [51]).
     Необходимо сказать несколько слов о том, как работать с книгой. Последовательное изложение материала и вводимая терминология (в некоторых случаях отличающаяся от терминологии в аналогичных изданиях) не дают возможности изучения книги «с середины». Исключение составляет только пятая глава.
     Книга содержит большое количество m-файлов, которые читатель должен набрать самостоятельно. Такой подход позволяет не только лучше понять среду программирования, но и усвоить теорию, поскольку во время написания программ на подсознательном уровне запоминается последовательность операций. В какой-то мере это заменяет написание конспектов и ответы на контрольные вопросы. Программы необходимо набирать со всеми комментариями. Это не только является культурой программиста, но и дает возможность впоследствии разобраться в собственноручно составленных листингах. В названии файлов целесообразно указывать номер главы и листинга, например: глава 5, листинг 23 -listing_5_23.m. Кроме того, после экспериментов с программой необходимо вернуть все параметры в исходное состояние, поскольку ссылки на данный файл могут быть и в других главах. По этой же причине следует оставить названия переменных, предложенные в книге.
     Любой программист имеет свой стиль написания программ. Стиль, предложенный в книге, является самым простым, так как основное назначение приведенных листингов - понимание процессов обработки сигналов. Этот же стиль использован и в примерах в прилагаемом электронном приложении.
     В заключение отметим, что книга содержит только те математические выкладки, которые необходимы для понимания процессов преобразования сигналов электросвязи. В этом плане автор придерживается позиции Е. С. Вентцель: «Сейчас любую научную работу (тем более диссертацию) принято облекать в математические одежды. Это хороший тон, латынь нашего времени. Чем сложнее примененный аппарат, тем лучше. Они обвешивают свои работы кратными интегралами, кванторами и матрицами, как в свое время купчихи обвешивались драгоценностями. У нас, профессионалов, наоборот: чем более простым аппаратом удалось обойтись, тем лучше» (И. Грекова «Кафедра», 1978).
     Настоящая книга предназначена для студентов, аспирантов (в некоторых местах указывается на неисследованные или не описанные в открытых источниках вопросы) и преподавателей вузов, а также тех, кто хочет самостоятельно разобраться в интереснейшем направлении ТЭС.

Глава 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ И СИГНАЛАХ

    1.1. Основные понятия и определения в системе электросвязи
    Предметом исследований в теории электрической связи является процесс обмена информацией между источником и получателем сообщений. Основная задача техники связи - передача сообщений, преобразованных в электрический сигнал от передающего устройства к приемному. Прежде всего, уточним такие понятия как «информация», «сообщение», «данные», «сигнал», которые довольно часто употребляются как в различных областях науки и техники, так и в повседневной жизни. В процессе изучения теории электрической связи необходимо дать четкие определения этим понятиям.
    Информация - это сведения о лицах, предметах, фактах, событиях, явлениях и процессах независимо от формы их представления.
    Для хранения, обработки и передачи информации используются условные символы (буквы, математические знаки и т. п.), позволяющие представить информацию в той или иной форме.
    В общем случае совокупность знаков (символов), отображающих ту или иную информацию, называется сообщением.
    Сообщение создается источником сообщений и предназначается для получателя сообщений. В качестве источника и получателя сообщений могут выступать люди или различного рода аппаратура и приборы (датчики, ЭВМ и др.), осуществляющие регистрацию и использование информации. Сообщения могут иметь различный характер и представлять собой речь, текст, изображение и т. д. Разновидностью сообщений являются данные.
    Данные - информация, представленная в виде, пригодном для обработки автоматическими средствами при возможном участии человека.
    Передача сообщений (информации) на расстояние осуществляется с помощью какого-либо материального носителя (например, бумаги или электронных накопительных устройств) или физического процесса (звуковых или электромагнитных волн, электрического тока и т. п.).
    Физический процесс, отображающий (несущий) передаваемое сообщение, называется сигналом.
    Сигналы формируются путем изменения тех или иных параметров физического процесса по закону передаваемых сообщений. Сигнал всегда является функцией от времени, даже в том случае, когда сообщение таковой не является.
    В системах электрической связи используются электрические сигналы, представляющие собой изменяющиеся во времени ток или напряжение.

ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ ЧЕРЕЗ ЦИФРОВУЮ ОБРАБОТКУ СИГНАЛОВ

     Электрической связью называется передача и прием электрических сигналов по проводной, радио-, оптической или другим электромагнитным системам. Из этого следует еще одно определение сообщения.
     Сообщение - это информация, передаваемая с помощью электрических сигналов средствами электросвязи.
     Преобразование сообщений в электрические сигналы выполняется с помощью изменения некоторых параметров электрического тока в соответствии с характером передаваемых сообщений и осуществляется с помощью специальных устройств - датчиков, где сообщение используется для изменения некоторых параметров электрического тока. При передаче речи это микрофон, при передаче букв (текста) - телеграфный аппарат, клавиатура, при передаче изображений - видеокамера. Полученный таким образом сигнал s(t) называется первичным и является в общем случае низкочастотным.
     В некоторых случаях первичный сигнал передают непосредственно по линии связи (например, городская телефонная связь). Для передачи на большие расстояния первичный сигнал преобразуют в высокочастотный. Этот процесс принято называть модуляцией. Такой сигнал называют еще радиосигналом (независимо от среды распространения).
     Для решения ряда практических задач бывает достаточно ограничиться некоторыми обобщенными параметрами и характеристиками сигнала, наиболее существенными с точки зрения условий его передачи. В качестве таковых обычно используют:
     •  длительность сигнала T₃ - определяет интервал времени, в пределах которого сигнал существует;
     •  динамический диапазон Dс - это отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала Рₘₐₓ к наименьшей Рт;п:
Dс = 101g (Рт„/ Ртп ) ,

       оно выражается в децибелах (дБ). Например, динамический диапазон речи диктора равен 25...30 дБ, симфонического оркестра- 70...95 дБ;
     •  ширину спектра сигнала AF - это диапазон частот, в пределах которого сосредоточена основная энергия сигнала:

AF =

max

L . т mm

    Например, ширина спектра речевого сигнала равна AF = 20...20 000 Гц, а телевизионного сигнала - AF = 0,05...6500 кГц (0,00005.6,5 МГц). Спектр сигнала может быть неограниченным. Однако на практике он всегда ограничивается.

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ И СИГНАЛАХ

15

    1.2. Обобщенная структурная схема системы электросвязи

    Передача сообщений производится посредством электрических сигналов. Для обеспечения передачи информации создается система электрической связи.
    Системой связи называется совокупность технических средств, предназначенных для передачи сообщений от источника к получателю. Этими средствами являются передающее устройство, линия связи и приемное устройство. Иногда в понятие система связи включают источник и получатель сообщений.
    Структурная схема простейшей одноканальной системы связи изображена на рис. 1.1. 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.). На схеме буквой b обозначено сообщение, не являющееся функцией времени, в отличие от b(t). Приведенная структурная схема имеет обобщенный характер и необходимо определить, что подразумевается под источником сообщения. Так, если передается изображение с помощью факсимильного аппарата, то источником сообщения можно считать сканируемое изображение, которое статично и не является функцией времени, тогда факсимильный аппарат является частью преобразователя сообщения в сигнал. В случае, если принять факсимильный аппарат в качестве источника сообщения, то передаваемое сообщение (в данном случае электрический сигнал на выходе факсимильного аппарата) будет зависимым от времени. Значительная часть передаваемых сообщений, особенно в последнее время, по своей природе не является функциями времени и представляет собой массивы чисел, текст или файлы. Сообщения такого типа можно представить в виде массива символов b.



Рис. 1.1. Структурная схема простейшей одноканальной системы связи