Посвящение в радиоэлектронику
Шрифт:
Произведение трех основных параметров сигнала определяет его объем:
Vc = TсDсFc.
Объем сигнала можно выразить в битах, если скорость передачи умножить на время передачи сигнала:
Vc = СTс.
Чем больше объем сигнала, тем больше информации можно «вложить» в этот объем. Это наглядно иллюстрируется изображением «плитки» информации. Ведь объем параллелепипеда равен произведению его длины, ширины и высоты. Примем длину «плитки» пропорциональной длительности сигнала, ширину — полосе частот, а высоту — логарифму отношения максимальной и минимальной мощностей сигнала. Тогда объем «плитки» окажется равным объему сигнала.
Плитку
Теперь мы в каждом конкретном случае можем оценить, что и сколько надо передавать. А передача осуществляется средствами радиоэлектроники. Совокупность технических устройств, обеспечивающих передачу сигнала из пункта А в пункт B, называется каналом связи. Это может быть проводная, кабельная, радиорелейная. оптическая, коротковолновая или спутниковая линия связи с необходимой приемопередающей аппаратурой. Канал связи имеет свои собственные параметры, а они чаще всего не совпадают с параметрами сигнала. Пусть, например, автоматическая межпланетная станция получила телевизионное изображение далекой планеты. Линия радиосвязи со станцией может пропустить лишь ограниченную полосу сигнала, и передать весь телевизионный спектр шириной 6 МГц нет никакой возможности. Кроме того, сигнал, прошедший по каналу связи, искажается шумом и помехами. В результате его динамический диапазон оказывается ограниченным сверху максимальной мощностью передатчика, а снизу — уровнем шумов и помех в канале связи.
Другой пример: с автоматической метеостанции, плавающей в открытом море, надо снять информацию, накопленную за сутки или даже за неделю. Сеанс связи может длиться всего несколько минут, ведь корабль, самолет или спутник, как правило, не может долго находиться в зоне действия передатчика станции. Значит, «плитку» информации, подлежащей передаче, надо «деформировать», преобразовать так, чтобы ее объем не изменился, а параметры были сoгласованы с параметрами канала связи. Так и делают. Телевизионное изображение далекой планеты передают долго, существенно увеличивая Тс, сжав одновременно динамический диапазон сигнала Dс и его полосу частот Fc. А метеоданные, накопленные сутками, передают за минуты, значительно увеличивая скорость передачи С = Vc/Tс, равную произведению динамического диапазона и полосы сигнала: С = DсFc. Соотношение между динамическим диапазоном и полосой сигнала также выбирают исходя из параметров канала связи. При одной и той же скорости передачи можно сформировать широкополосный сигнал с малым динамическим диапазоном (что обычно выгоднее) либо узкополосный с большим динамическим диапазоном.
Все эти вопросы относятся к очень серьезной, но, к сожалению, малоизвестной широкому кругу читателей науке — теории передачи информации, или теории передачи сообщений. Известны и другие ее названия: общая теория связи, математическая (статистическая) теория связи. Эта наука возникла на стыке математических и технических дисциплин, она связана с кибернетикой, теорией вероятностей, математической статистикой, теорией случайных процессов, статистической радиотехникой.
Большой вклад в разработку математических основ общей теории связи внесли наши советские ученые: академик Л. Н. Колмогоров и член-корреспондент АН СССР А.Я.Хинчин. Академик В. А. Котельников создал теорию потенциальной помехоустойчивости, позволяющую рассчитывать предельно достижимые параметры канала связи при наличии шума и помех. Его работы «О пропускной способности «эфира» и проволоки в электросвязи» (1933 г.) и «Теория потенциальной помехоустойчивости» (1946 г.) стали классическими. Впоследствии В. А. Котельников руководил работами по радиолокации планет Солнечной системы, за что был удостоен Ленинской премии.
Общая теория связи позволяет правильно спроектировать канал связи, выбрать оптимальный способ кодирования и модуляции сигнала, построить (только подумайте: вычислить математически!) оптимальную структурную схему приемника. Давно ушли в прошлое те времена, когда упоминание о линии связи вызывало в воображении образ радиста, вслушивающегося в слабый писк «морзянки», тонущей в шумах эфира, и отстукивающего свои сообщения телеграфным ключом. Хотя такого радиста еще и можно увидеть на далекой зимовке или за любительской радиостанцией, в государственном масштабе проблемы связи решаются по-другому, и обусловлено это неизмеримо возросшими потоками передаваемой информации.
В нашей стране развивается и совершенствуется Единая автоматизированная сеть связи (ЕАСС). Ее основу составляют кабельные и радиорелейные линии связи, причем сеть допускает возможность усовершенствования существующих и подключения новых линий. Оконечная аппаратура сети позволяет передавать не один, а сотни и тысячи телефонных разговоров одновременно. Как же это делается?
Раньше поступали просто: надо организовать два телефонных канала-протягивали две линии. В старых фильмах можно увидеть, а может быть, некоторые из читателей видели и в действительности пучки из нескольких десятков проводов, протянутых на телеграфных столбах с перекладинами. Сейчас такого уж не встретишь, и это очень хорошо с точки зрения экономии материалов и труда связистов. Для того чтобы передать много каналов по одной линии, которая так и называется — многоканальная линия связи, информацию уплотняют. Различают два основных вида уплотнения: частотное и временное.
При частотном уплощении лишь один телефонный канал передается по линии связи в его «собственной» полосе частот 300… 3400 Гц. Сигналы других каналов преобразуются по частоте и занимают другие, более высокочастотные участки спектра. В приемной аппаратуре производят обратное преобразование и получают исходный звуковой спектр для каждого канала. Для разделения каналов при частотном уплотнении используют электрические частотные фильтры.
При временном уплотнении линия связи «предоставляется» каждому каналу на очень короткое время и сигналы каналов передаются по очереди в виде коротких импульсов. Частота переключения (коммутации) каналов в соответствии с теоремой отсчетов должна быть вдвое выше наивысшей частоты спектра сигнала. Для телефонных каналов она может составлять, например, 8 кГ ц. В многоканальной линии связи общая полоса передаваемых частот значительно возрастает. Например, в современной отечественной системе К1800 может быть передано 3600 телефонных каналов при общей полосе частот, занимаемой групповым сигналом, 8,5 МГц. Разработаны и еще более емкие системы, например К10800, пропускающая 21 600 телефонных каналов при общей полосе частот 61 МГц. При ее создании использовались самые новые радиоэлектронные компоненты и конструкторско-технологические решения.
Пропустить столь широкие полосы частот в радиоканалах длинных, средних и коротких воли невозможно, поэтому для передачи группового сигнала по радио приходится использовать сверхвысокие частоты — дециметровые и сантиметровые волны. А поскольку эти волны распространяются лишь в пределах прямой видимости между антеннами, строят радиорелейные линии — ряд мачт с антеннами и ретрансляторами, размещаемыми на расстоянии 30…60 км друг от друга. Не правда ли, радиорелейная линия чем-то напоминает древнюю систему сигнальных башен! Спираль развития средств связи совершила виток, но насколько же связь усовершенствовалась и качественно, и количественно! Типовая радиорелейная линия может передавать несколько телевизионных и сотни, тысячи телефонных каналов, в сумме — сотни мегабит информации в секунду.
А с наступлением космической эры развиваются и совершенствуются спутниковые системы связи, для которых уже не существует больших расстояний на поверхности Земли. Как же изменился телеграф в современных условиях? Теперь его даже трудно назвать телеграфом, в ходу новое название цифровые системы передачи сообщений. Их интенсивное развитие связано с успехами общей теории связи, освоением новых диапазонов частот (СВЧ, оптического), совершенствованием вычислительной техники, успехами в освоении космоса. Цифровые системы связи проектируются и разрабатываются на основе последних достижений микроэлектроники. Первоначально ряд телеграфных каналов объединяется в группу, размещаемую в полосе частот стандартного телефонного канала. Скорость передачи в первичной группе составляет от 200 до 9600 бит/с. Групповые сигналы объединяются в более «мощные» стволы со скоростью передачи до 10 Мбит/с. А на магистральных линиях связи скорость передачи достигает 140 Мбит/с. Для формирования сигналов цифровых систем связи применяют весьма сложную аппаратуру, например ИКМ-1920, использующую импульсно-кодовую модуляцию и специальные помехоустойчивые виды кодирования. Все чаще по цифровым каналам связи передается и аналоговая информация (телефонные переговоры, радиовещательные программы), преобразованная в цифровую форму.
В сложных и разветвленных сетях связи, пропускающих огромное количество цифровой информации, надо обеспечить управление, контроль правильности передачи, коммутацию каналов, выравнивание скоростей передачи, контроль исправности линий, да мало ли что еще надо для их обслуживания! И как везде, где сложную и трудоемкую работу надо выполнять быстро и безошибочно, на помощь человеку приходит электронно-вычислительная машина (ЭВМ). Да, да, сетями связи теперь может управлять ЭВМ. Она и переключит каналы, и накопит переданную информацию, и сделает многое-многое другое.