Стандартная полоса частот в телефонии. Что такое частотная модуляция Ширина полосы частот, Спектр и боковых полос? Модемы для выделенных телефонных линий

Деление станций на аналоговые и цифровые производится по типу коммутации. Телефонная связь, действующая на основе преобразования речи (голоса) в аналоговый электрический сигнал и передачи его по коммутируемому каналу связи (аналоговая телефония), долгое время была единственным средством передачи речевых сообщений на расстояние. Возможность дискретизации (по времени) и квантования (по уровню) параметров аналогового электрического сигнала (амплитуды, частоты или фазы) позволили преобразовывать аналоговый сигнал в цифровой (дискретный), обрабатывать его программными методами и передавать по цифровым телекоммуникационным сетям.

Для передачи аналогового речевого сигнала между двумя абонентами в сети ТфОП (телефонные сети общего пользования) предоставляется так называемый стандартный канал тональной частоты (ТЧ), полоса пропускания которого составляет 3100 Гц. В системе цифровой телефонии над аналоговым электрическим сигналом выполняются операции дискретизации (по времени), квантования (по уровню), кодирования и устранения избыточности (сжатия), после чего сформированный таким образом поток данных направляется принимающему абоненту и по «прибытию» в пункт назначения подвергается обратным процедурам.

Преобразование речевого сигнала осуществляется по соответствующему протоколу в зависимости от того, по какой сети он передается. В настоящее время наиболее эффективная передача потока любых дискретных (цифровых) сигналов, в том числе и несущих речь (голос), обеспечивается цифровыми электрическими сетями, в которых реализованы пакетные технологии: IP (Internet Protocol), ATM (Asynchronous Transfer Mode) или FR (Frame Relay).

Говорят, что концепция передачи голоса при помощи цифровых технологий зародилась в 1993 году в Университете штата Иллинойс (США). Во время очередного полета челнока Endeavor в апреле 1994 года NASA передало на Землю его изображение и звук с помощью компьютерной программы. Полученный сигнал поступал в Интернет, и любой желающий мог услышать голоса астронавтов. В феврале 1995 года израильская компания VocalTec предложила первую версию программы Internet Phone, разработанную для владельцев мультимедийных PC, работающих под Windows. Потом была создана частная сеть серверов Internet Phone. И уже тысячи людей загрузили программу Internet Phone с домашней страницы VocalTec и начали общаться.

Естественно, что другие компании очень быстро оценили перспективы, которые открывала возможность разговаривать, находясь в разных полушариях и не оплачивая при этом международные звонки. Такие перспективы не могли остаться незамеченными, и уже в 1995 году на рынок обрушился поток продукции, предназначенной для передачи голоса через Сеть.

Сегодня существует несколько стандартизированных способов передачи информации, получившие наибольшее распространение на рынке услуг цифровой телефонии: это стандарты ISDN, VoIP, DECT, GSM и некоторые другие. Попробуем вкратце рассказать об особенностях каждого из них.

Итак, что же такое ISDN?

Аббревиатура ISDN расшифровывается какIntegrated Services Digital Network - цифровая сеть с интеграцией услуг. Это современное поколение всемирной телефонной сети, обладающей возможностью переносить любой тип информации, включая быструю и корректную передачу данных (в том числе и голоса) высокого качества от пользователя к пользователю.

Основное достоинство сети ISDN заключается в том, что Вы можете подключить к одному сетевому окончанию несколько цифровых или аналоговых аппаратов (телефон, модем, факс и пр.), и каждый может иметь свой городской номер.

Обычный телефон подключается к телефонной станции парой проводников. При этом по одной паре можно вести только один телефонный разговор. При этом в трубке могут быть слышны шум, помехи, радио, посторонние голоса - недостатки аналоговой телефонной связи, которая "собирает" все помехи на своем пути. В случае использования ISDN абоненту устанавливается сетевое окончание, а звук, преобразующийся специальным декодером в цифровой формат, передается по специально отведенному для этого (также полностью цифровому) каналу принимающему абоненту, обеспечивая при этом максимальную слышимость без помех и искажений.

Основой ISDN является сеть, построенная на базе цифровых телефонных каналов (предусматривающая также возможность передача данных с коммутацией пакетов) со скоростью передачи данных 64 кбит/с. Услуги ISDN базируются на двух стандартах:

Базовый доступ (Basic Rate Interface (BRI)) - два B-канала 64 кбит/с и один D-канал 16 кбит/с

Первичный доступ (Primary Rate Interface (PRI)) - 30 B-каналов 64 кбит/с и один D-канал 64 кбит/с

Обычно пропускная способность BRI составляет 144 Кбит/с. При работе с PRI полностью используется вся магистраль цифровой связи (DS1), что дает пропускную способность 2 Мбит/c. Высокие скорости, предлагаемые ISDN, делают ее идеальной для большого числа современных услуг связи, включая высокоскоростную передачу данных, разделение экранов, видеоконференции, передачу больших файлов для мультимедиа, настольную видеотелефонию и доступ в Интернет.

Собственно говоря, технология ISDN – это ни что иное, как одна из разновидностей «компьютерной телефонии», или, как ее еще называют CTI-телефония (Computer Telephony Integration - компьютерно-телефонная интеграция).

Одной из причин возникновения решений CTI послужило появление требований по обеспечению сотрудников компаний дополнительными телефонными сервисами, которые либо не поддерживались существующей корпоративной телефонной станцией, либо стоимость приобретения и внедрения решения от производителя этой станции была несопоставима с достигаемыми удобствами.

Первыми ласточками сервисных CTI-приложений стали системы электронных секретарей (autoattended) и автоматических интерактивных голосовых приветствий (меню), корпоративная голосовая почта, автоответчик и системы записи переговоров. Для добавления сервиса того или иного CTI-приложения к существующей телефонной станции компании подключался компьютер. В нем была установлена специализированная плата (вначале на шине ISA, затем на шине PCI), которая соединялась с телефонной станцией по стандартному телефонному интерфейсу. Программное обеспечение компьютера, запущенное под определенной операционной системой (MS Windows, Linux или Unix), взаимодействовало с телефонной станцией через программный интерфейс (API) специализированной платы и тем самым обеспечивало реализацию дополнительного сервиса корпоративной телефонии. Практически одновременно с этим был разработан стандарт программного интерфейса для компьютерно-телефонной интеграции – TAPI (Telephony API)

Для традиционных телефонных систем CTI-интеграция осуществляется так: некоторая специализированная компьютерная плата подключена к телефонной станции и транслирует (переводит) телефонные сигналы, состояние телефонной линии и его изменения в «программный» вид: сообщения, события, переменные, константы. Передача телефонной составляющей происходит по телефонной сети, а программной составляющей – по сети передачи данных, IP-сети.

А как выглядит процесс интеграции в IP-телефонии ?

В первую очередь необходимо заметить, что с появлением IP-телефонии изменилось само восприятие телефонной станции (Private Branch eXchange - PBX). IP PBX является ничем иным как еще одним сетевым сервисом IP-сети, и, как большинство сервисов IP-сети, функционирует в соответствии с принципами клиент-серверной технологии, т. е. предполагает наличие сервисной и клиентской частей. Так, например, сервис электронный почты в IP-сети имеет сервисную часть – почтовый сервер и клиентскую часть –программу пользователя (например Microsoft Outlook). Аналогично устроен и сервис IP-телефонии: сервисная часть – сервер IP PBX и клиентская часть – IP-телефон («железный» или программный) используют для передачи голоса единую коммуникационную среду – IP-сеть.

Что это дает пользователю?

Преимущества IP-телефонии очевидны. Среди них – богатый функционал, возможность существенно улучшить взаимодействие сотрудников и одновременно упростить обслуживание системы.

Кроме того, IP-коммуникации развиваются по открытому принципу вследствие стандартизации протоколов и глобального проникновения IP. Благодаря принципу открытости в системе IP-телефонии возможно расширение предоставляемых услуг, интеграция с существующими и планируемыми сервисами.

IP-телефония позволяет построить единую централизованную систему управления для всех подсистем с разграничением прав доступа и эксплуатировать подсистемы в региональных подразделениях силами местного персонала.

Модульность системы IP-коммуникаций, ее открытость, интеграция и независимость компонентов (в отличие от традиционной телефонии) дают дополнительные возможности для построения по-настоящему отказоустойчивых систем, а также систем с распределенной территориальной структурой.

Беспроводные системы связи стандарта DECT:

Стандарт беспроводного доступа DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) является наиболее популярной системой мобильной связи в корпоративной сети, самым дешевым и простым при монтаже вариантом. Она позволяет организовать беспроводную связь по всей территории предприятия, что так необходимо «мобильным» пользователям (например, охране предприятия или начальникам цехов, отделов).

Основное преимущество DECT-систем заключается в том, что с приобретением подобного телефона вы практически бесплатно получаете мини-АТС на несколько внутренних номеров. Дело в том, что к единожды купленной DECT-базе можно приобрести дополнительные телефонные трубки, каждая из которых получает свой внутренний номер. С любой трубки вы без особого труда сможете звонить на другие трубки, подключенные к этой же базе, передавать входящие и внутренние звонки и даже осуществлять своеобразный «роуминг» - прописывать свою трубку на другой базе. Радиус приема этого вида связи – 50 метров в помещение и 300 метров на открытом пространстве.

Для организации мобильной связи в сетях общего пользования используются сети сотовой связи стандартов GSM и CDMA, территориальная эффективность которых практически не ограничена. Это стандарты соответственно второго и третьего поколения сотовой связи. В чем же различия?

Каждую минуту с любой базовой станцией сотовой сети пытаются связаться сразу несколько телефонов, находящихся в ее окрестностях. Поэтому станции должны обеспечивать «множественный доступ», то есть одновременную работу без взаимных помех сразу нескольких телефонов.

В сотовых системах первого поколения (стандарты NMT, AMPS, N-AMPS и др.) множественный доступ реализуется частотным методом – FDMA (Frequency Division Multiple Access): базовая станция имеет несколько приемников и передатчиков, каждый из которых работает на своей частоте, а радиотелефон настраивается на любую частоту, используемую в сотовой системе. Связавшись с базовой станцией на специальном служебном канале, телефон получает указание, какие частоты он может занять, и перестраивается на них. Это не отличается от способа настройки той или иной радиоволны.

Однако число каналов, которые удается выделить на базовой станции, не очень велико, тем более что соседние станции сотовой сети должны иметь разные наборы частот, чтобы не создавать взаимных помех. В большинстве сотовых сетей второго поколения стал применяться частотно-временной метод разделения каналов – TDMA (Time Division Multiple Access). В таких системах (а это сети стандартов GSM, D-AMPS и др.) тоже используются различные частоты, но только каждый такой канал выделяется телефону не на все время связи, а только на небольшие промежутки времени. Остальные такие же интервалы поочередно используются другими телефонами. Полезная информация в таких системах (в том числе и речевые сигналы) передается в «сжатом» виде и в цифровой форме.

Совместное использование каждого частотного канала несколькими телефонами позволяет обеспечить обслуживание большего числа абонентов, но частот все равно не хватает. Существенно улучшить это положение смогла технология CDMA, построенная по принципу кодового разделения сигналов.

Суть метода кодового разделения сигналов, примененного в CDMA, заключается в том, что все телефоны и базовые станции одновременно используют один и тот же (и при этом сразу весь) выделенный для сотовой сети диапазон частот. Для того чтобы эти широкополосные сигналы можно было различать между собой, каждый из них имеет специфическую кодовую «окраску», обеспечивающую его уверенное выделение на фоне других.

За последние пять лет технология использования CDMA была протестирована, стандартизирована, лицензирована и запущена в производство большинством поставщиков беспроводного оборудования и уже применяется во всем мире. В отличие от других методов доступа абонентов к сети, где энергия сигнала концентрируется на выбранных частотах или временных интервалах, сигналы CDMA распределены в непрерывном частотно-временном пространстве. Фактически этот метод манипулирует и частотой, и временем, и энергией.

Возникает вопрос: могут ли системы CDMA при таких возможностях «мирно» сосуществовать с сетями AMPS/D-AMPS и GSM?

Оказывается, могут. Российскими регулирующими органами разрешена работа сетей CDMA в полосе радиочастот 828 - 831 МГц (прием сигнала) и 873-876 МГц (передача сигнала), где и размещены два радиоканала CDMA шириной 1,23 МГц. В свою очередь, для стандарта GSM в России отведены частоты выше 900 МГц, поэтому рабочие диапазоны сетей CDMA и GSM никак не пересекаются.

Что хочется сказать в заключении:

Как показывает практика, современные пользователи все больше тяготеют к широкополосным сервисам (видеоконференции, высокоскоростная передача данных) и все чаще предпочитают мобильный терминал обычному проводному. Если еще учесть тот факт, что число таких желающих в больших компаниях может легко перевалить за тысячу, то получим набор требований, удовлетворить которые способна только мощная современная цифровая станция (УПАТС).

Сегодня на рынке представлено множество решений от различных производителей, обладающих возможностями как традиционных АТС, коммутаторов или маршрутизаторов для сетей передачи данных (в том числе и по технологиям ISDN и VoIP), так и свойствами беспроводных базовых станций.

Цифровые УПАТС сегодня в большей степени, чем другие системы, соответствует указанным критериям: имеют возможности коммутации широкополосных каналов, пакетной коммутации, просто интегрируются с компьютерными системами (CTI) и позволяют организовывать беспроводные микросоты внутри корпораций (DECT).

Какой из указанных типов связи лучше? Решайте сами.

Практически все электрические сигналы, отображающие реальные сообщения содержат бесконечный спектр частот. Для неискажённой передачи таких сигналов потребовался бы канал с бесконечной полосой пропускания. С другой стороны, потеря на приёме хотя бы одной составляющей спектра приводит к искажению временной формы сигнала. Поэтому ставится задача передавать сигнал в ограниченной полосе пропускания канала таким образом, чтобы искажения сигнала удовлетворяли требованиям и качеству передачи информации. Таким образом, полоса частот - это ограниченный (исходя из технико-экономический соображений и требований к качеству передачи) спектр сигнала.

Ширина полосы частот ΔF определяется разностью между верхней FВ и нижней FН частотами в спектре сообщения, с учётом его ограничения. Так, для периодической последовательности прямоугольных импульсов полоса сигнала ориентировочно может быть найдена из выражения:

где tn - длительность импульса.

Первичный телефонный сигнал (речевое сообщение), называемый также абонентским, является нестационарным случайным процессом с полосой частот от 80 до 12 000 Гц. Разборчивость речи определяется формантами (усиленные области спектра частот), большинство которых расположено в полосе 300 … 3400 Гц. Поэтому по рекомендации Международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии (МККТТ) для телефонной передачи принята эффективно передаваемая полоса частот 300 … 3400 Гц. Такой сигнал называется сигналом тональной частоты (ТЧ). При этом качество передаваемых сигналов получается достаточно высоким - слоговая разборчивость составляет около 90%, а разборчивость фраз - 99% .

Сигналы звукового вещания. Источниками звука при передаче программ вещания являются музыкальные инструменты или голос человека. Спектр звукового сигнала занимает полосу частот 20…20000 Гц.

Для достаточно высокого качества (каналы вещания первого класса) полоса частот ∆FC должна составлять 50…10000 Гц, для безукоризненного воспроизводства программ вещания (каналы высшего класса) - 30…15000 Гц., второго класса - 100…6800 Гц .

В вещательном телевидении принят метод поочередного преобразования каждого элемента изображения в электрический сигнал с последующей передачей этого сигнала по одному каналу связи. Для реализации такого принципа на передающей стороне применяются специальные электронно-лучевые трубки, преобразующие оптическое изображение передаваемого объекта в развернутый во времени электрический видеосигнал.

Рисунок 2.2.1 - Конструкция передающей трубки

В качестве примера на рисунке 2.2.1 представлен в упрощенном виде один из вариантов передающей трубки. Внутри стеклянной колбы, находящейся под высоким вакуумом, расположены полупрозрачный фотокатод (мишень) и электронный прожектор (ЭП). Снаружи на горловину трубки надета отклоняющая система (ОС). Прожектор формирует тонкий электронный луч, который под воздействием ускоряющего поля направляется к мишени. При помощи отклоняющей системы луч перемещается слева направо (по строкам) и сверху вниз (по кадру), обегая всю поверхность мишени. Совокупность всех (N) строк называется растром. На мишень трубки, покрытую светочувствительным слоем, проецируется изображение. В результате каждый элементарный участок мишени приобретает электрический заряд. Образуется так называемый потенциальный рельеф. Электронный луч, взаимодействуя с каждым участком (точкой) потенциального рельефа, как бы стирает (нейтрализует) ее потенциал. Ток, который течет через сопротивление нагрузки Rн, будет зависеть от освещенности участка мишени, на который попадает электронный луч, и на нагрузке выделится видеосигнал Uс (рисунок 2.2.2). Напряжение видеосигнала будет изменяться от уровня «черного», соответствующего наиболее темным участкам передаваемого изображения, до уровня «белого», соответствующего наиболее светлым участкам изображения .

Еще статьи по теме

Разработка предложения по объединению вычислительных сетей ВУЗов в интрасеть
Вопрос о том, что дает использование сетей, естественным образом порождает другие вопросы: в каких случаях развертывание вычислительных сетей предпочтительнее использования автономных компьютеров или многомашинных систем? Как...

Разработка узла привода спектральных фильтров
Целью моей работы является разработка узла привода спектральных фильтров. Основной функцией этого прибора является установка требуемого фильтра в фильмовой канал. Разрабатываемый узел будет использоваться в оптическом стенде, ...

2.1.1. Аналоговые телефонные сети

Аналоговые телефонные сети относятся к глобальным сетям с коммутацией каналов, которые создавались для предоставления общедоступных телефонных услуг населению. Аналоговые телефонные сети ориентированы на соединение, которое устанавливается до начала ведения разговоров (передачи голоса) между абонентами. Телефонная сеть образуется (коммутируется) с помощью коммутаторов автоматических телефонных станций.

Телефонные сети состоят из:

• автоматических телефонных станций (АТС);
• телефонных аппаратов;
• магистральных линий связи (линий связи между АТС);
• абонентских линий (линий, соединяющих телефонные аппараты с АТС).

Абонент имеет выделенную линию, которая соединяет его телефонный аппарат с АТС. Магистральные линии связи используются абонентами по очереди.

Аналоговые телефонные сети используются также и для передачи данных в качестве:

• сетей доступа к сетям с коммутацией пакетов, например, подключения к Интернет (применяются как коммутируемые, так и выделенные телефонные линии);
• магистралей пакетных сетей (в основном применяются выделенные телефонные линии).

Аналоговая телефонная сеть с коммутацией каналов предоставляет для пакетной сети услуги физического уровня, которая после коммутации является физическим каналом "точка-точка".

Обычная телефонная сеть или POTS (Plain Old Telephone Service – старый “плоский” телефонный сервис) обеспечивает пропускание голосового сигнала между абонентами с диапазоном частот до 3,1 кГц, что является вполне достаточным для нормального разговора. Для связи с абонентами используется двухпроводная линия, по которой сигналы обоих абонентов во время разговора идут одновременно во встречных направлениях.

Телефонная сеть состоит из множества станций, имеющих иерархические соединения между собой. Коммутаторы этих станций прокладывают путь между АТС вызывающего и вызываемого абонента под управлением информации, предоставляемой системой сигнализации. Магистральные линии связи между телефонными станциями должны обеспечивать возможность одновременной передачи большого количества информации (поддерживать большое количество соединений).

Выделять для каждого соединения отдельную магистральную линию нецелесообразно, и для более эффективного использования физических линий применяют:

• метод частотного уплотнения каналов;
• цифровые каналы и мультиплексирование цифровых потоков от множества абонентов.

Метод частотного уплотнения каналов (FDM – Frequency Division Multiplexing)

В этом случае по одному кабелю передается множество каналов, в которых низкочастотный голосовой сигнал модулирует сигнал высокочастотного генератора. Каждый канал имеет собственный генератор, и частоты этих генераторов разнесены друг от друга настолько, чтобы передавать сигналы в полосе до 3,1 кГц с нормальным уровнем разделения друг от друга.

Применение цифровых каналов для магистральных передач

Для этого аналоговый сигнал от абонентской линии на телефонной станции оцифровывается и далее в цифровом виде доставляется на телефонную станцию адресата. Там он обратно преобразовывается и передается в аналоговую абонентскую линию.

Для обеспечения двусторонней связи на телефонной станции каждое окончание абонентской линии имеет пару преобразователей – АЦП (аналого-цифровой) и ЦАП (цифро-аналоговый). Для голосовой связи со стандартной полосой пропускания (3,1 кГц) принята частота квантования 8 кГц. Приемлемый динамический диапазон (отношение максимального сигнала к минимальному) обеспечивается при 8-битном преобразовании.

Итого получается, что каждый телефонный канал требует скорости передачи данных в 64 кбит/с (8 бит х 8 кГц).

Часто для передачи сигнала ограничиваются и 7-битными отсчетами, а восьмой (младший) бит используется для целей сигнализации. В таком случае чисто голосовой поток сокращается до 56 кбит/с.

Для эффективного использования линий магистрали цифровые потоки от множества абонентов на телефонных станциях мультиплексируются в каналы различной емкости, соединяющие телефонные станции между собой. На другом конце канала производится демультиплексирование – выделение требуемого потока из канала.

Мультиплексирование и демультиплексирование, естественно, производится на обоих концах одновременно, поскольку телефонная связь двусторонняя. Мультиплексирование осуществляется с помощью разделения во времени (TDM – Time Division Multiplexing).

В магистральном канале информация организована в виде непрерывной последовательности кадров. Каждому абонентскому каналу в каждом кадре отводится интервал времени, в течение которого передаются данные этого канала.

Таким образом, в современных аналоговых телефонных линиях по абонентской линии связи передаются аналоговые сигналы, а в магистральных линиях передаются цифровые сигналы.

Модемы для коммутируемых аналоговых телефонных линий

Телефонные сети общего пользования, кроме передачи голоса, позволяют передавать цифровые данные при помощи модемов.

Модем (модулятор-демодулятор) служит для передачи данных на большие расстояния с использованием выделенных и коммутируемых телефонных линий.

Модулятор поступающую от компьютера двоичную информацию преобразует в аналоговые сигналы с частотной или фазовой модуляцией, спектр которых соответствует полосе пропускания обычных голосовых телефонных линий. Демодулятор из этого сигнала извлекает закодированную двоичную информацию и передает ее в принимающий компьютер.

Факс-модем (fax-modem) позволяет передавать и принимать факсимильные изображения, совместимые с обычными факс-машинами.

Модемы для выделенных телефонных линий

Выделенные физические линии имеют полосу пропускания гораздо более широкую, чем коммутируемые. Для них выпускаются специальные модемы, обеспечивающие передачу данных со скоростями до 2048 кбит/с и на значительные расстояния.

Технологии xDSL

Технологии xDSL основаны на превращении абонентской линии обычной телефонной сети из аналоговой в цифровую xDSL (Digital Subscriber Line). Суть данной технологии заключается в том, что на обоих концах абонентской линии – на АТС и у абонента – устанавливаются разделительные фильтры (splitter).

Низкочастотная (до 3,5 кГц) составляющая сигнала заводится на обычное телефонное оборудование (порт АТС и телефонный аппарат у абонента), а высокочастотная (выше 4 кГц) используется для передачи данных с помощью xDSL-модемов.

Технологии xDSL позволяют одновременно использовать одну и ту же телефонную линию и для передачи данных, и для передачи голоса (телефонных переговоров), чего не позволяют обычные модемы для коммутируемых линий.

Обеспечивающая передачу электрических сигналов связи в эффективно передаваемой полосе частот (ЭППЧ) 0,3 - 3,4 кГц. В телефонии и связи часто используется аббревиатура КТЧ. Канал тональной частоты является единицей измерения ёмкости (уплотнения) аналоговых систем передачи (например, K-24, K-60, K-120). В то же время для цифровых систем передачи (например, ИКМ-30, ИКМ-480, ИКМ-1920) единицей измерения ёмкости является основной цифровой канал .

Эффективно передаваемая полоса частот - полоса частот , остаточное затухание на крайних частотах которой отличается от остаточного затухания на частоте 800 Гц не более чем на 1 Нп при максимальной дальности связи, свойственной данной системе.

Ширина ЭППЧ определяет качество телефонной передачи, и возможности использования телефонного канала для передачи других видов связи. В соответствии с международным стандартом для телефонных каналов многоканальной аппаратуры установлена ЭППЧ от 300 до 3400 Гц. При такой полосе обеспечивается высокая степень разборчивости речи, хорошая естественность её звучания и создаются большие возможности для вторичного уплотнения телефонных каналов.

Энциклопедичный YouTube

1 / 3

✪ Теория: радиоволны, модуляция и спектр.

✪ Звуковой генератор своими руками Инструмент электромонтажника. Схема звукового генератора

✪ Цифровой сигнал

Субтитры

Режимы работы канала ТЧ

Назначение режимов

• 2 ПР. ОК - для открытой телефонной связи при отсутствии на телефонном коммутаторе транзитных удлинителей;
• 2 ПР. ТР - для временных транзитных соединений открытых телефонных каналов, а также для оконечной связи при наличии на телефонном коммутаторе транзитных удлинителей;
• 4 ПР ОК - для использования в сетях многоканального тонального телеграфа, закрытой телефонной связи, передачи данных и т. п., а также для транзитных соединений при значительных длинах соединительных линий;
• 4 ПР ТР - для долговременных транзитных соединений.

Практически все электрические сигналы, отображающие реальные сообщения содержат бесконечный спектр частот. Для неискажённой передачи таких сигналов потребовался бы канал с бесконечной полосой пропускания. С другой стороны, потеря на приёме хотя бы одной составляющей спектра приводит к искажению временной формы сигнала. Поэтому ставится задача передавать сигнал в ограниченной полосе пропускания канала таким образом, чтобы искажения сигнала удовлетворяли требованиям и качеству передачи информации. Таким образом, полоса частот – это ограниченный (исходя из технико-экономический соображений и требований к качеству передачи) спектр сигнала.

Ширина полосы частот ΔF определяется разностью между верхней F В и нижней F Н частотами в спектре сообщения, с учётом его ограничения. Так, для периодической последовательности прямоугольных импульсов полоса сигнала ориентировочно может быть найдена из выражения:

где t n – длительность импульса.

1.Первичный телефонный сигнал (речевое сообщение), называемый также абонентским, является нестационарным случайным процессом с полосой частот от 80 до 12 000 Гц. Разборчивость речи определяется формантами (усиленные области спектра частот), большинство которых расположено в полосе 300 … 3400 Гц. Поэтому по рекомендации Международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии (МККТТ) для телефонной передачи принята эффективно передаваемая полоса частот 300 … 3400 Гц. Такой сигнал называется сигналом тональной частоты (ТЧ). При этом качество передаваемых сигналов получается достаточно высоким – слоговая разборчивость составляет около 90%, а разборчивость фраз – 99% .

2.Сигналы звукового вещания . Источниками звука при передаче программ вещания являются музыкальные инструменты или голос человека. Спектр звукового сигнала занимает полосу частот 20…20000 Гц.

Для достаточно высокого качества (каналы вещания первого класса) полоса частот ∆F C должна составлять 50…10000 Гц, для безукоризненного воспроизводства программ вещания (каналы высшего класса) – 30…15000 Гц., второго класса – 100…6800 Гц .

3. В вещательном телевидении принят метод поочередного преобразования каждого элемента изображения в электрический сигнал с последующей передачей этого сигнала по одному каналу связи. Для реализации такого принципа на передающей стороне применяются специальные электронно-лучевые трубки, преобразующие оптическое изображение передаваемого объекта в развернутый во времени электрический видеосигнал.

Рисунок 2.6 – Конструкция передающей трубки

В качестве примера на рисунке 2.6 представлен в упрощенном виде один из вариантов передающей трубки. Внутри стеклянной колбы, находящейся под высоким вакуумом, расположены полупрозрачный фотокатод (мишень) и электронный прожектор (ЭП). Снаружи на горловину трубки надета отклоняющая система (ОС). Прожектор формирует тонкий электронный луч, который под воздействием ускоряющего поля направляется к мишени. При помощи отклоняющей системы луч перемещается слева направо (по строкам) и сверху вниз (по кадру), обегая всю поверхность мишени. Совокупность всех (N) строк называется растром. На мишень трубки, покрытую светочувствительным слоем, проецируется изображение. В результате каждый элементарный участок мишени приобретает электрический заряд. Образуется так называемый потенциальный рельеф. Электронный луч, взаимодействуя с каждым участком (точкой) потенциального рельефа, как бы стирает (нейтрализует) ее потенциал. Ток, который течет через сопротивление нагрузки R н, будет зависеть от освещенности участка мишени, на который попадает электронный луч, и на нагрузке выделится видеосигнал U с (рисунок 2.7). Напряжение видеосигнала будет изменяться от уровня "черного", соответствующего наиболее темным участкам передаваемого изображения, до уровня "белого", соответствующего наиболее светлым участкам изображения .

Рисунок 2.7 – Форма телевизионного сигнала на временном интервале, где отсутствуют кадровые импульсы.

Если уровню "белого" будет соответствовать минимальное значение сигнала, а уровню "черного" – максимальное, то видеосигнал будет негативным (негативной полярности). Характер видеосигнала зависит от конструкции и принципа действия передающей трубки.

Телевизионный сигнал является импульсным однополярным (так как он является функцией яркости, которая не может быть разнополярной) сигналом. Он имеет сложную форму, и его можно представить в виде суммы постоянной и гармонических составляющих колебаний различных частот.
Уровень постоянной составляющей характеризует среднюю яркость передаваемого изображения. При передаче подвижных изображений величина постоянной составляющей будет непрерывно меняться в соответствии с освещенностью. Эти изменения происходят с очень низкими частотами (0-3 Гц). С помощью нижних частот спектра видеосигнала воспроизводятся крупные детали изображения .

Телевидение, равно как и световое кино, стало возможным благодаря инерционности зрения. Нервные окончания сетчатки глаза продолжают ещё какое-то время оставаться возбуждёнными после прекращения действия светового раздражителя. При частоте смены кадров F к ≥ 50 Гц глаз не замечает прерывистости смены изображения. В телевидении время считывания всех N строк (время кадра – T к) выбирается равным T к = с. С целью уменьшения мерцания изображения используется чересстрочная развертка. Вначале за время полукадра, равное Т п/к = = с, считываются поочередно все нечетные строки, затем, за такое же время – все четные строки. Частота спектра видеосигнала получится при передаче изображения, представляющего собой сочетание светлой и темной половины растра (рисунок 2.8). Сигнал представляет собой импульсы близкие по форме к прямоугольной. Минимальная частота этого сигнала при чересстрочной развертке частоте полей, т.е.

Рисунок 2.8 – К определению минимальной частоты спектра частот телевизионного сигнала

С помощью верхних частот передаются наиболее мелкие детали изображения. Такое изображение можно представить в виде чередующихся по яркости мелких черных и белых квадратов со сторонами, равными диаметру луча (рисунок 2.9, а), расположенными вдоль строки. Такое изображение будет содержать максимальное количество элементов изображения.

Рисунок 2.9 – К определению максимальной частоты видеосигнала

Стандарт предусматривает разложение изображения в кадре на N = 625 строк. Время прочерчивания одной строки (рис. 2.9, б) будет равно . Меняющийся по строке сигнал получится, когда чередуются чёрные и белые квадратики. Минимальный период сигнала будет равен времени считывания пары квадратов:

где n пар – число пар квадратов в строке.

Число квадратов (n) в строке будет равно:

где – формат кадра (смотри рисунок 2.2.4, а),

b – ширина, h – высота поля кадра.

Тогда ; (2.10)

Формат кадра принимается равным к=4/3. Тогда верхняя частота сигнала F в будет равна:

При передаче 25 кадров в секунду с 625 строками в каждом номинальное значение частоты разложения по строкам (частота строк) равно 15.625 кГц. Верхняя частота телевизионного сигнала будет равна 6.5 МГц.

Согласно принятому в нашей стране стандарту напряжение полного видеосигнала U ТВ, состоящего из импульсов синхронизации U C , сигнала яркости и гасящих импульсов U P составляет U ТВ = U P + U C =1В. При этом U C = 0.3 U ТВ, а U P =0.7 U ТВ. Как видно из рисунка 2.10 сигнал звукового сопровождения располагается выше по спектру (fн ЗВ = 8 МГц) видеосигнала. Обычно сигнал видео передаётся посредством амплитудной модуляции (АМ), а сигнал звука – частотной (ЧМ) .

Иногда, в целях экономии полосы канала верхняя частота видеосигнала ограничивается значением Fв = 6.0 МГц, а несущая звука передаётся на частоте fн зв = 6.5 МГц.

Рисунок 2.10 – Размещение спектров сигналов изображения и звука в радиоканале телевизионного вещания.

Практикум (подобные задачи входят в экзаменационные билеты)

Задача №1: Найти частоту следования импульсов передаваемого сигнала и полосу пропускания сигнала, если на экране телевизора наблюдается 5 пар черно-белых чередующихся вертикальных полос

Задача №2: Найти частоту следования импульсов передаваемого сигнала и полосу пропускания сигнала, если на экране телевизора наблюдается 10 пар черно-белых чередующихся горизонтальных полос

При решении задачи №1 необходимо использовать известную величину длительности одной строки стандартного ТВ сигнала. За это время произойдет смена 5-ти импульсов соответствующих уровню черного и 5-ти импульсов соответствующих уровню белого (можно вычислить их длительность). Таким образом, можно определить частоту смены импульсов и полосу пропускания сигнала.

При решении задачи №2 исходите из общего числа строк в кадре, определите, сколько строк приходится на одну горизонтальную полосу, учтите, что развертка осуществляется чересстрочно. Так вы определите длительность импульса соответствующего уровню черного или белого. Далее как в задаче№1

При оформлении итоговой работы для удобства используйте графическое изображение сигналов и спектров.

4. Факсимильные сигналы. Факсимильная (фототелеграфная) связь – это передача неподвижных изображений (рисунков, чертежей, фотографий, текстов, газетных полос и так далее). Устройство преобразования факсимильного сообщения (изображения) преобразовывает световой поток, отражаемый от изображения, в электрический сигнал (Рисунок 2.2.6)

Рисунок 2.11 - Функциональная схема факсимильной связи

Где 1 – канал факсимильной связи; 2 – привод, синхронизирующие и фазирующие устройства; 3 – передающий барабан, на который помещается оригинал передаваемого изображения на бумажном носителе; ФЭП – фотоэлектронный преобразователь отражённого светового потока в электрический сигнал; ОС – оптическая система для формирования светового луча .

При передаче чередующихся по яркости элементов сигнал приобретает вид импульсной последовательности. Частоту следования импульсов в последовательности называют частотой рисунка. Максимального значения частота рисунка, Гц, достигает при передаче изображения, элементы и разделяющие их промежутки которого равны размерам развертывающего луча:

F рисmax = 1/(2τ u) (2.12)

где τ u – длительность импульса, равная длительности передачи элемента изображения, которую можно определить через параметры развертывающего устройства.

Так, если π·D – длина строки, а S – шаг развертки (диаметр развертывающего луча), то в строке π·D/S элементов. При N оборотах в минуту барабана, имеющего диаметр D, время передачи элемента изображения, измеряемое в секундах:

Минимальная частота рисунка (при изменении по строке), Гц, будет при развертке изображения, содержащего по длине строки черную и белую полосы, равные по ширине половине длины строки. При этом

F puс min = N/60, (2.14)

Для выполнения удовлетворительной по качеству фототелеграфной связи достаточно передавать частоты от F рис min до F рис max . Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии рекомендует для факсимильных аппаратов N = 120, 90 и 60 об/мин; S = 0.15 мм; D = 70 мм. Из (2.13) и (2.14) следует, что при N = 120 F рис max = 1466 Гц; F рис min = 2 Гц; при N =60 F рис max = 733 Гц; F рис min = 1 Гц; Динамический диапазон факсимильного сигнала составляет 25 дБ .

Телеграфные сигналы и сигналы передачи данных. Сообщения и сигналы телеграфии и передачи данных относятся к дискретным.

Устройства преобразования телеграфных сообщений и данных представляют каждый знак сообщения (букву, цифру) в виде определённой комбинации импульсов и пауз одинаковой длительности . Импульс соответствует наличию тока на выходе устройства преобразования, пауза – отсутствию тока.

Для передачи данных используют более сложные коды, которые позволяют обнаруживать и исправлять ошибки в принятой комбинации импульсов, возникающие от действия помех .

Устройства преобразования сигналов телеграфии и передачи данных в сообщения по принятым комбинациям импульсов и пауз восстанавливают в соответствии с таблицей кода знаки сообщения и выдают их на печатающее устройство или экран дисплея.

Чем меньше длительность импульсов, отображающих сообщения, тем больше их будет передано в единицу времени. Величина, обратная длительности импульса, называется скоростью телеграфирования: В = 1/τ и, где τ и – длительность импульса, с. Единицу скорости телеграфирования назвали бодом. При длительности импульса τ и = 1 с скорость В = 1 Бод. В телеграфии используются импульсы длительностью 0.02 с, что соответствует стандартной скорости телеграфирования 50 Бод. Скорости передачи данных существенно выше (200, 600, 1200 Бод и более).

Сигналы телеграфии и передачи данных обычно имеют вид последовательностей прямоугольных импульсов (рисунок 2.4, а).

При передаче двоичных сигналов достаточно зафиксировать только знак импульса при двуполярном сигнале либо наличие или отсутствие – при однополярном сигнале. Импульсы можно уверенно зафиксировать, если для их передачи используется ширина полосы частот, численно равная скорости передачи в бодах. Для стандартной скорости телеграфирования 50 Бод ширина спектра телеграфного сигнала составит 50 Гц. При скорости 2400 Бод (среднескоростная система передачи данных) ширина спектра сигнала равна примерно 2400 Гц.

5. Средняя мощность сообщений Р СР определяется путем усреднения результатов измерений за большой промежуток времени.

Средняя мощность, которую развивает случайный сигнал s(t) на резисторе сопротивлением 1 Ом:

Мощность, заключённую в конечной полосе частот между ω 1 и ω 2 , определяют интегрированием функции G(ω) β соответствующих пределах:

Функция G(ω) οредставляет собой спектральную плотность средней мощности процесса, то есть мощность, заключённую в бесконечно малой полосе частот.

Для удобства расчетов мощность обычно дается в относительных единицах, выраженных в логарифмической форме (децибелах, дБ). В этом случае уровень мощности:

Если эталонная мощность Р Э =1 мВт, то р х называют абсолютным уровнем и выражают в дБм. С учетом этого абсолютный уровень средней мощности:

Пиковая мощность р пик (ε %) – ύто такое значение мощности сообщения, которое может превышаться в течение ε % времени.

Пик-фактор сигнала определяется отношением пиковой мощности к средней мощности сообщения, дБ,

Из последнего выражения, поделив числитель и знаменатель на Р Э, с учетом (2.17) и (2.19) определим пик-фактор как разность абсолютных уровней пиковой и средней мощностей:

Под динамическим диапазоном D (ε%) понимают отношение пиковой мощности к минимальной мощности сообщения Р min . Динамический диапазон, как и пик-фактор, принято оценивать в дБ:

Средняя мощность сигнала тональной частоты, измеренная в час наибольшей нагрузки (ЧНН), с учётом сигналов управления – набора номера, вызова и так далее – составляет 32 мкВт, что соответствует уровню (по сравнению с 1 мВт) p ср = –15 дБм

Максимальная мощность телефонного сигнала, вероятность превышения которой пренебрежимо мала, равна 2220 мкВт (что соответствует уровню +3.5 дБм); минимальная мощность сигнала, который еще слышен на фоне шумов, принята равной 220000 пВт (1 пВт = 10 -12 мВт), что соответствует уровню – 36. 5 дБм.

Средняя мощность Р СР сигнала вещания (измеренная в точке с нулевым относительным уровнем) зависит от интервала усреднения и равна 923 мкВт при усреднении за час, 2230 мкВт – за минуту и 4500 мкВт – за секунду. Максимальная мощность сигнала вещания 8000 мкВт.

Динамический диапазон D C сигналов вещания составляет для речи диктора 25…35 дБ, для инструментального ансамбля 40…50 дБ, для симфонического оркестра до 65 дБ.

Первичные дискретные сигналы обычно имеют вид прямоугольных импульсов постоянного или переменного тока, как правило, с двумя разрешёнными состояниями (двоичные или двухпозиционные).

Скорость модуляции определяется количеством единичных элементов (элементарных посылок), передаваемых в единицу времени, и измеряется в бодах:

В = 1/τ и, (2.23)

где τ и – длительность элементарной посылки.

Скорость передачи информации определяется количеством информации, передаваемой в единицу времени, и измеряется в бит/с:

где М – число позиций сигнала.

В двоичных системах (М=2) каждый элемент несет 1 бит информации, поэтому согласно (2.23) и (2.24) :

С max =В, бит/с (2.25)

Контрольные вопросы

1. Дайте определения понятиям "информация", "сообщение", "сигнал".

2. Как определить количество информации в отдельно взятом сообщении?

3. Какие виды сигналов существуют?

4. Чем отличается дискретный сигнал от непрерывного?

5. Чем отличается спектр периодического сигнала от спектра непериодического сигнала?

6. Дайте определение ширины полосы частот сигнала.

7. Поясните сущность факсимильной передачи сообщений.

8. Каким способом осуществляется развёртка ТВ изображения?

9. Чему равняется частота смены кадров в ТВ системе?

10. Поясните принцип работы передающей ТВ трубки.

11. Поясните состав полного ТВ сигнала.

12. Дайте понятие динамического диапазона?

13. Перечислите основные сигналы электросвязи. Какие частотные диапазоны занимают их спектры?