Связью называется передача сообщении от отправителя (источника информа-пли) к получателю. Отправителями и получателями могут быть как люди, так и технические устройства (приборы, индикаторы, вычислительные машины). Сообщением (информацией) является отображение некоторой ситуации, события или состояния какого-либо объекта. Одно сообщение может быть четко отделено от другого (дискретные сообщения), но поток сообщений может быть непрерывным (непрерывные сообщения). Различия между видами связи определяются различиями между передаваемыми сообщениями (табл. 2-1).

Таблица 2-1

Чтобы выполнить определенные требования к связи (в отношении дальности, помехоустойчивости, надежности, скрытности и т. д.), сообщение передается не непосредственно, а предварительно преобразуется в сигнал, который представляет собой электрический процесс, отобразивший (несущий в себе) передаваемое сообщение. Например, преобразование сообщения в сигнал осуществляет передатчик.

Первичный сигнал может подвергаться в передатчике нескольким преобразованиям, пока он не приобретает форму, необходимую для распространения по линии связи в заданных условиях. Далее сигнал поступает в линию связи и распространяется до приемника, в котором подвергается обратному преобразованию в сообщение. Передатчик, приемник и соединяющая их линия образуют систему свя-3 и (рис. 2-1).

Таким образом, передача сообщений сводится к отображению состояний источ-

OmnpaSumm -

Прае*янин

Источник помех .

Рис. 2-1. Схема связи.

ника информации (отправителя) в состояниях передатчика и приемника и в соответствующих этим состояниям сигналах. По <;остоянию приемника (по принятому сигналу) получатель судит о состоянии источника информации.

Многоканальные системы связи обслуживают одновременно несколько отправителей (и получателей) с помощью одной линии связи. Каналом связи называется передатчик, приемник и часть линии связи, используемые одним отправителем.

Правило, устанавливающее соответствие между сообщением и сигналом, должно быть известно на приемной стороне. Но даже и в этом случае обратное преобразование сигнала в сообщение осложняется тем, что в результате добавления к сигналу различных помех принятое сообщение может отличаться от переданного. Чем меньше это отличие, тем выше к а ч е с т -во связи.

Для теории связи наиболее важными этапами преобразования сообщения в с*--яал являются операции кодирования и модуляции.

-Кодирование заключается в представлении различных сообщений условными комбинациями, составленными из небольшого количества элементарных сигналов (например, посылка и пауза в коде Бодо, точка, тире и пауза в коде Морзе и т. д.). Число используемых при этом различных элементарных сигналов называют основанием кода, а число элементов, образующих кодовую комбинацию (кодовую группу), - значн остью кода. Если все комбинации имеют одинаковую знач- ность, то код называется равномер-н ы м. Примером равномерного кода является пятизначный код Бодо, неравномерного - код Морзе. Кодирование позволяет представить различные сообщения (буквы, отдельные звуки, цвета, события, команды и т. д.) в определенной стандартной форме, например в форме последовательности двоичных символов. Конечно, для такого представления сообщения должны четко отличаться друг от друга, а число их должно быть конечным. Поэтому операция кодирования применяется преимущественно в системах передачи дискретных сообщений. Для кодирования непрерывных сообщений требуется предварительная их дискретизация (см. § 2-6).

Модуляцией называется отображение сообщений в некотором физическом процессе. Для передачи сигналов на большие расстояния обычно используют тот или иной физический процесс, называемый переносчиком. Чаще всего в качестве переносчика используют электромагнитное поле. Сущность модуляции состоит в том, что один из параметров переносчика получает приращение, зависящее (например, пропорциональное) от передаваемого сообщения. В результате этого сообщение отображается (запечатлевается) в изменениях того или иного параметра переносчика и

эти изменения переносятся на значительные расстояния.

После приема сигнала сообщение извлекается из него с помощью обратных операций - демодуляции (детектирования) и декодирования.

Значение операций -кодирования и модуляции заключается в том, что эти операции позволяют не только отобразить сообщение в сигнале, но и наделить сигнал нужными свойствами, такими- как способность распространяться на далекие расстояния, противостоять помехам, не создавать помехи другим системам связи и т. д.

2-2. СПЕКТРАЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СИГНАЛА

Для передачи сообщений всегда необходим какой-либо материальный носитель, какой-либо физический процесс (звук, электрический ток, электромагнитная волна и др.). При описании изменений этого процесса во времени могут быть использованы функции времени, но в зависимости от задач исследования иногда бывает удобней использовать иные представления сигнала: спектральное, статистическое (см. § 2-8) и др.

В основе спектрального представления сигнала лежат преобразования Фурье (см. § 1-11, 1-12). В спектральном представлении внимание переносится с временных зависимостей сигнала на частотный состав, т. е. сигнал представляется не функцией времени, а функцией частоты (и фазы). Совокупность простых гармонических колебаний, на которые может быть разложен данный сложный сигнал, называется спектром сигнала (см. § 1-13). Спектр сигнала может быть представлен графически в виде кривых, выражающих зависимость амплитуды (фазы) спектральных гармонических составляющих от их частоты.

Периодический сигнал может быть представлен суммой синусоид (гармоник) с кратными частотами, и поэтому его спектр состоит из отдельных линий. Одиночный короткий сигнал (импульс) имеет сплошной спектр, состоящий из бесконечно близких по частоте синусоид с бесконечно малыми амплитудами; поэтому на графике откладывают не амплитуду спектральных составляющих, а спектральную плотность амплитуды (см. § 1-12).

Линейчатый спектр периодического сигнала и сплошной спектр одиночного импульса являются теми крайними случаями, между которыми заключены спектры реальных сигналов связи. Реальные сигналы не могут быть периодическими, так как они всегда ограничены во времени, но, как правило, в них наблюдается повторяемость значений. В результате спектры реальных сигналов являются сплошными, но в зависимости от степени повторяемости сигнала в

его спектре проявляются более или менее интенсивные составляющие в полосах, группирующихся около частот, кратных частоте повторения сигнала (см. рис. 1-62,6).

Огибающие спектров первичных сигналов связи начинаются в области низких частот и уходят в область бесконечно больших частот. Однако наибольшая часть энергии сигнала обычно сосредоточена вобласти сравнительно низких частот. По мере увеличения частоты амплитуды спектральных составляющих сигнала (или спектральные плотности амплитуд) уменьшаются, и, начиная с некоторой частоты, эти составляющие вносят настолько малый вклад в суммарную интенсивность сигнала, что с ними можно не считаться. По этой причине первичные сигналы связи часто называют низкочастотными сигналами.

Таким образом, не делая большой ошибки, можно считать, что первичные сигналы связи обладают ограниченным спектром. Интервал частот

Q = 2nF.

в которых размещается ограниченный спектр сигнала, называется шириной спектра.

Строгих правил оценки ширины спектра сигнала не существует. Отказ от учета тех или иных высших спектральных составляющих сигнала зависит от значения этих составляющих в процессе получения информации. На практике считается допустимым отбрасывать высшие частотные составляющие спектра, суммарная энергия которых не превышает 5-10% энергии сигнала. При этом оказывается, что ширина спектра одиночного сигнала в виде импульса практически любой формы определяется соотношением (см. § 11-2)

f=-. (2-1)

Следовательно, произведение длительности X импульса на ширину F его спектра есть постоянная величина порядка единицы.

При оценке ширины спектра, которую должны иметь первичные сигналы, используемые в различных видах связи, необходимо устанавливать, какие частотные составляющие должны присутствовать в спектре сигнала для достижения того или иного качества воспроизведения сообщений.

Например, при телеграфии сигнал представляет собой последовательность посылок и пауз различной длительности. Наиболее широкий спектр телеграфный сигнал будет иметь при передаче самых коротких импульсов, разделенных самыми короткими паузами. Сохранение прямоугольной формы (рис. 2-2, а) импульса не является обязательным. Для того чтобы отличить посылку от паузы, достаточно сохранить в спектре сигнала лишь первые три гармоники (рис. 2-2,6), т. е.

где /] - частота следования коротких посылок, разделенных короткими паузами. Если, например, при передаче 100 слов в минуту среднее число букв в слове 6, а среднее число точек на букву 10, т. е. скорость телеграфирования составляет 100 бод (1 бод - скорость телеграфирования, при которой в 1 сек передается один элементарный импульс), то ширина спектра такого сигнала

100-6-10

F = 3n = 3.-~j= 150 гц.

При телефонии элементы речи (звуки, слоги, слова и т. д.) связаны друг с другом и не имеют четких границ. Типичные для данного языка звуки речи называются

Рис. 2-2. Телеграфный сигнал (а) и его представление суммой 1-й и 3-й гармоник (б).

фонемами. Русская речь имеет 41 фонему: 6 гласных, 18 твердых согласных и 17 мягких согласных. Спектры фонем русской речи занимают частотную область от 70 до 7 000 ец и более. Однако распределение спектральной плотности в этой области

В т т теоо т гооо шовоооюооо

Рис. 2-3. Спектр твердого звука л .

pasjfmao для различных фонем. Например, наиболее мощные спектральные составляющие твердого л сосредоточены в полосе от О до 1 ООО гц (рис. 2-3), а шипящего ш - в полосе от 1 ООО до 7 ООО гц (рис. 2-4). Характерные для дайной фонемы участки наибольшей спектральной плотности называются формантами. Речевые форманты возникают благодаря резонансным явлениям на частотах, близких к собственным частотам полостей рта и носоглотки.