Функциональная схема системы передачи информации

Функциональная схема системы передачи информации начинается с источника информации. Понятие информации и определение количественных характеристик ее и источника рассматриваются во второй лекции, посвященной основам теории информации. Там же исследуются процессы первичного преобразования информации в электрический сигнал. Этот сигнал, если он выражен в цифровой (импульсной) форме может быть подвергнут помехоустойчивому кодированию, которое позволяет при передаче отдельных блоков информации находить и исправлять ошибки в одном или нескольких элементах информационного блока. Существуют коды, позволяющие исправлять ошибки и в непрерывной импульсной последовательности. Информация, выраженная в виде электрического сигнала, в дальнейшем подвергается процедуре модулирования, которая заключается в том, что передаваемая информация " насаживается" на несущее колебание как всадник на лошадь, изменяя один или несколько параметров сигнала-переносчика. Эта процедура необходима для того, чтобы пронести информацию по выбранному каналу связи, т.е. согласовать информационный сигнал с предоставленной линией связи. Подробности процесса модуляции изучим в лекции №4.

Рис. 1.29

Введем понятие канала связи и линии связи. Под каналом связи будем подразумевать аппаратуру, преобразующую информационный сигнал для передачи по линии связи, линию связи и аппаратуру, преобразующую переданную информацию в вид, удобный для восприятия человеком или автоматическим исполнительным устройством. Под линией связи будем понимать физическую среду передачи информации. Понятно, что оконечное устройство передатчика информации и входные устройства приемника будут определяться выбранной линией информации.

После линии связи полезный информационный сигнал совместно с помехой обрабатывается в приемном устройстве, которое должно наилучшим образом (оптимально) выделить полезный сигнал из его смеси с помехой. Эту полезную процедуру оптимального выделения рассмотрим в пятой лекции. Обработанный в приемном устройстве модулированный сигнал подвергается демодуляции, т.е. полезная информация должна быть " ссажена" с несущего колебания и представлена в своем исходном сигнальном значении. Процесс демодуляции иногда называют детектированием (от английского слова detect – открывать, обнаруживать). Иногда, особенно при использовании цифровых сигналов, процессы модуляции и демодуляции осуществляются в подобных технологических устройствах (или в процессе установления связи требуется поочередное включение модуляторов и демодуляторов), что приводит к необходимости объединения устройств модуляции и демодуляции в единый блок – модем, который иногда конструктивно выделяют в отдельное устройство.

Аналогичного в кодере и декодере процессы кодирования и декодирования реализуются в подобных схемах, что позволяет их объединить в единый блок – кодек.

Полученная в результате передачи по каналу связи информация должна быть представлена на выходе в виде, удобном для считывания человеком или исполнительным устройством. Виды представления информации и конечные отображающие приборы определяются назначением системы передачи и диктуются условиями эксплуатации системы связи.

Кратко рассмотрим применяемые на железной дороге линии связи:

- акустическая линия связи представляет собой передачу информации звуковыми сигналами, это, чаще всего, голос командира, диктора, диспетчера. Используется в системах громкоговорящей связи, вокзальном радиовещании, поездном радиовещании. Кроме того, возможно включение сирен, звонков, клаксонов для подачи сигналов аварии, опасности, предосторожности. Звуковая речь передается в диапазоне 50÷ 9000 Гц. Соответственно излучающими системами (передатчиками) могут быть громкоговоритель с усилителями звуковых частот, звонки и сирены с соответствующей аппаратурой возбуждения.

- электрическая линия связи - это проводные линии связи – воздушные (стальные и цветные), кабельные (симметричные, коаксиальные), которые предусматривают низкочастотные и многоканальные (уплотненные) высокочастотные линии. Низкочастотные - в основном, телефонные (в полосе 0, 3÷ 3, 4 кГц) и телеграфные линии связи, а также системы телемеханики и телеуправления.

- магнитная линия связи (индуктивная) – линия, в которой информация передается через магнитное поле. Это, прежде всего, системы АЛС, в которых магнитное поле тока рельсовой цепи передает информацию о сигналах светофора на приемные катушки системы АЛС, установленные на локомотиве. Известны системы типа " Строп", в которых уложенный вокруг объекта шлейф передает посредством магнитного поля, возбуждаемого током в шлейфе, информацию на приемные переносные устройства.

- электромагнитная линия связи передает информацию посредством электромагнитной волны, т.е. используется радиосвязь. Для железнодорожного транспорта выделены определенные частоты: 1-ый диапазон - 2, 150 (2, 130) МГц; 2-ой диапазон – 151, 0÷ 156, 0 МГц; 3-ий диапазон – средняя частота 330 МГц (307 и 341 МГц); 4-ый диапазон – средняя частота 460 МГц, частота 3410 МГц – для телевизионных сигналов; 2 ГГц, 6 ГГц, 8 ГГц – частоты для радиорелейной связи. Для спутниковой радиосвязи используется диапазон 11÷ 12 ГГц.

- оптическая линия связи – линия связи, в которой используется оптоволоконная система для передачи информации значительного объема с высокой скоростью. В световодах, представляющих из себя гибкую полимерную нить, передаются световые импульсы крайне малой длительности (что позволяет передавать весьма широкополосные сигналы) с малым затуханием по длине (порядка 0, 2÷ 0, 4 дБ на 1 км), что позволяет строить линию значительной протяженности (до 100 км и более) без каких-либо промежуточных усилителей или генераторов. Главный тормоз в развитии оптоволоконных систем связи – высокая стоимость, сейчас резко снижается, и поэтому такие линии связи получают в настоящее время широкое внедрение.

Наиболее существенное влияние в системе передачи информации помехи оказывают в линии связи. Помехи принято различать по характеру воздействия на систему передачи: аддитивные и мультипликативные. Аддитивная помеха учитывается сложением с полезным сигналом в любой точке тракта передачи. Мультипликативная помеха учитывается как произведение с полезным сигналом. Возникает такая помеха, в основном, при изменении условий распространения полезного сигнала в линии связи (чаще всего, в диапазоне декаметровых волн, которые не входят в число выделенных каналов для МПС). Описание такого воздействия достаточно сложное, и с учетом редкого явления для железнодорожных радиоканалов будет нами опущено. Аддитивные радиопомехи на железнодорожном транспорте имеют свою специфику. Это, в основном, помехи импульсные, искрового происхождения, связанные с работой электрического подвижного состава. Тяговые токи достигают единиц килоампер, нарушения контакта между токосъемником и контактным проводом приводит к образованию дугового разряда большой мощности излучения. Спектральный состав электрических помех электровозов: 65-÷ 40 дБмкВ/м (в диапазоне 0, 15÷ 30 мГц) и далее остается постоянным в 40 дБмкВ/м до частот 300 мГц. Чуть меньше помехи от пригородных пассажирских электричек, примерно 34 дБмкВ/м до 300 мГц. Параметр импульсности, определяющий степень перекрытия во времени отдельных импульсов колеблется в широких пределах от λ = 1 до λ = 100 (т.е. от отдельных импульсов до сплошного их перекрытия, которое называют гладкой помехой). Другие источники электромагнитных помех связанные с работой электродвигателей, релейных систем, помехи от ЛЭП и электрических подстанций и их оборудования имеют меньшую интенсивность и локальное размещение, и в расчет можно принимать как поправочные элементы в общей картине помех. Вероятностное распределение помех представляется пуассоновской моделью для импульсных помех и гауссовской моделью для гладких помех. Так как гладкие помехи, описываемые моделью белого нормального (гауссовского) центрированного шума являются наиболее часто встречаемыми, то гауссовскую модель примем за универсальную.

Рассмотрим основные показатели гауссовской модели.

Шум представляет собой случайный процесс, образуемый суммированием бесконечно большого количества некоррелированных (независимых) источников случайных сигналов. Так, например, звуковые излучения большого количества отдельных листочков в лесу под воздействием ветра создают (в целом) шумовое излучение; шум на вокзале из-за разговора (случайного) большого количества людей; суммарный результат хаотического (теплового) движения свободных электронов в металле и т.д.

Спектральный состав белого света состоит из отдельных спектральных полос всех цветов радуги, т.е. образуется равномерный спектр в широкой полосе частот (рис. 1.30).

Рис. 1.30

По аналогии с " белым светом", шум, имеющий равномерный спектральный состав от 0 частот до бесконечности -∞, называют " белым" шумом со спектральной плотностью N₀ (рис. 1.31).

Рис. 1.31

Временная " картинка" шума имеет случайное начертание (рис. 1.32). Здесь можно выделить среднее значение переменной величины х(t). Среднее значение, как наиболее вероятное находится для дискретных значений как

; ,

где М - операция усреднения;

P_k – вероятность отсчета х_k (в случае равновероятностных отсчетов
P_k = 1/n, где n – количество отсчетов, ).

Рис. 1.32

Для непрерывной случайной величины среднее значение определяется из выражения

, (1.12)

где W(х) – распределение плотности вероятности.

Среднее значение электрического случайного сигнала представляет постоянную составляющую сигнала (постоянный ток). Случайный процесс за вычетом этой постоянной составляющей (среднего значения) называют процессом " центрированным", т.к. у такого процесса " в среднем" энергия отклонений в плюс и в минус примерно одинакова. Переменную составляющую случайного процесса центрированного " белого" шума находят через среднюю мощность " отклонения" от среднего значения, т.е. . Эта мощность обозначается D и называется " дисперсией"; квадрат отклонения характеризует мощность,
М - усреднение. Полное выражение для дисперсии имеет вид:

, (1.13)

где W(х) – распределение плотности вероятности х.

Размерность мощности переменной составляющей оказывается В², что не удобно для использования, поэтому на практике применяют (" сигма") - значение, называемое СКО – " среднее квадратичное отклонение". Для электрического случайного сигнала это соответствует значению переменной составляющей (в среднем). Распределение мгновенных значений случайной величины по амплитуде оценивается статистически выражением W(x) - распределением плотности вероятности случайной величины х. Плотность вероятности говорит о вероятностном нахождении мгновенного значения случайной величины в малом интервале dx (подобно спектральной плотности N₀ в " белом" спектре шума). Большинство реальных природных шумов имеет распределение, описанное немецким ученым Гауссом:

. (1.14)

Это распределение из-за его широкого распространения называют " нормальным".

Итак, в качестве универсальной помехи (описывающей все возможные вредные воздействия) принимаем " белый", нормальный, " центрированный" шум. Эта помеха, конечно, идеализирована и крайне тяжелая для аппаратуры, однако, в силу ее универсальности используется для исследования помехоустойчивости всех систем связи.

Напомним, что " белый" шум имеет равномерный сплошной спектр. Однако, для телефонных каналов следует учитывать частотную характеристику, соответствующую частотной чувствительности уха человека (рис. 1.33). Такая характеристика называется " псофометрической", а шум с таким спектром - " псофометрическим шумом".

Рис. 1.33

Литература:

[1] стр. 10-16. [2] стр. 16-28. [3] стр. 10-27.

Контрольные вопросы:

1. Что такое канал связи и линия связи?

2. В чем отличия помех от искажений?

3. Почему шум " белый"?

4. Как найти среднее значение случайной величины?

5. Что такое дисперсия случайной величины?

6. Что означает " нормальный шум"?

7. Что такое " модем"?

8. Что такое " кодек"?