Пользуясь каждый день средствами связи (телефон, компьютер и т. д.) мы чаще всего не задумываемся, каким образом передается информация от нас к собеседнику. Эти средства настолько давно вошли в нашу повседневную жизнь, что нам они кажутся привычными. В связи с тем, что 7 мая — день радио, профессиональный праздник инженеров связи (считаю его также и своим праздником, хотя я еще только учусь), хотелось бы рассказать о структуре канала связи (на примере эталонного и самого распространенного — телефонного).
Итак, как же выглядит общая структура канала связи?
Начнем разбор схемы по порядку:
1. Источник сигнала. Здесь все просто — голос говорящего человека из колебаний воздуха с помощью встроенного в микрофон телефона преобразуются в колебания амплитуды напряжения. На выходе первого блока получаем обычный аналоговый сигнал U(t). Сигнал этот является случайным.
2. Умножитель и генератор тактовых импульсов (ГТИ). Обычный аналоговый сигнал передавать по линиям связи чрезвычайно сложно, дорого, да и не нужно. Поэтому для передачи его дискретизируют. Второй блок, состоящий из умножителя и ГТИ называется дискретизатором. Из названия понятно, что на выходе ГТИ мы получаем прямоугольные импульсы. Перемножая их с исходным сигналом, получаем те же импульсы, но уже разной амплитуды. Выглядит это примерно так:
Как мы видим, расстояние между соседними импульсами много больше длительности самого импульса. для сравнения: длительность импульса обычно составляет единицы микросекунд, а интервал между ними для телефонного канала — 125 мкс. Образуется большое свободное время, которое тоже можно использовать. Именно на этом и основан принцип многоканальной связи. В образовавшиеся промежутки «засовывают» много других сигналов, что позволяет по одной линии передавать гораздо больше информации. Итак, на выходе мы имеем последовательность импульсов разной амплитуды. Но передавать этот сигнал все еще невозможно. Поэтому переходим к третьему блоку схемы.
3. Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Ну наконец-то наш все еще аналоговый сигнал станет цифровым! На этом этапе последовательность амплитуд импульсов преобразуется в двоичный код. На выходе имеем последовательность нулей и единиц (обозначим b(t)), в которую и зашита наша исходная информация. Казалось бы, вот он, цифровой сигнал, можно спокойно передавать его. Но нет, не выйдет. Наш сигнал все еще низкочастотный. Образно говоря, низкочастотные сигналы толстые и ленивые, сами они не смогут преодолеть огромные расстояния, ослабнут по дороге и не дойдут до получателя. Надо послать кого-то на помощь, и этим помощником будет высокочастотный сигнал, которому мы и «посадим на шею» наши нули и единицы. А как? Да просто — промодулировав.
4. Модулятор и генератор высокой частоты (ГВЧ). Как уже стало ясно из предыдущего блока, модуляция — это наложение низкочастотной информации на высокочастотный сигнал. Модулятор — это, простыми словами, умножитель, перемножающий сигналы низкой и высокой частоты. Различают три вида модуляции — амплитудная, частотная и фазовая. Не будем сейчас углубляться в особенности каждого вида, об этом, если кому интересно, расскажу потом, как и о преимуществах модуляции. Важно одно — мы наконец-то получили сигнал, который можно смело отправлять в долгое и сложное путешествие, не боясь, что он потеряется по дороге.
5. Усилитель. Э, нет, стоп, наш сигнал слабоват, чтобы сразу отправляться в путь. Надо бы усилить его предварительно. Собственно, для этого здесь и стоит усилитель — последняя преграда для сигнала перед путешествием.
6. Линия связи. Ужас для инженеров. Достаточно сказать, что на создание именно линии связи уходит 99,99% всех расходов. Это среда по которой передается сигнал. В случае с обычным стационарным телефоном — это провод. На этом этапе на сигнал больше всего воздействуют внешние шумы n(t) (от слова noise — шум). Если приемники и передатчики можно очень хорошо экранировать, практически полностью защитив от внешних воздействий, то километры провода обеспечить хорошим экранированием влетит в копеечку. Но как бы там ни было, вот наш сигнал, преодолев все препятствия на своем пути, добирается до места назначения. Но в таком виде, в каком он приходит, он еще не может явиться сразу к получателю. Надо сначала «вытрясти» с него нужную нам информацию. Чем мы и займемся.
7. Демодулятор. Процесс, обратный модуляции, т. е. мы убираем высокочастотный сигнал, оставляя ту самую последовательность нулей и единиц. Собственно, дальше все преобразования пойдут в обратном порядке, поэтому долго расписывать не стану. Итак, перед нами теперь цифровой сигнал. Ну а дальше…
8. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Занимается декодированием двоичного кода, выдавая нам ту самую (ну или почти ту саму, все-таки от помех никуда не деться) последовательность прямоугольных импульсов. Если соединить их верхушки, можно получить наш исходный сигнал и наконец-то донести до получателя что-то срочное и важное.
9. Фильтр нижних частот (ФНЧ). Голос человека — низкочастотный сигнал, поэтому в конце канала стоит ФНЧ. Он убирает все лишнее, оставляя только то, что необходимо скорее сообщить человеку на том конце провода. Вот, наконец, канал связи справился со своим предназначением.
10 Получатель. Динамик телефона сигнал U'(t) преобразует в голос, и собеседник слышит то, о чем мы хотели ему поведать. Весь процесс передачи занимает микросекунды. Конструируются устройства приемо-передачи, разрабатываются методы защиты от помех, прокладываются километры проводов — тысячи людей трудятся для того, чтобы мы каждый день могли слышать в трубке голос родного и близкого человека
Всех инженеров связи от всей души — с праздником! Успехов в профессиональной деятельности, новых великих достижений!
Собственно, на этом все.
Итак, как же выглядит общая структура канала связи?
Начнем разбор схемы по порядку:
1. Источник сигнала. Здесь все просто — голос говорящего человека из колебаний воздуха с помощью встроенного в микрофон телефона преобразуются в колебания амплитуды напряжения. На выходе первого блока получаем обычный аналоговый сигнал U(t). Сигнал этот является случайным.
2. Умножитель и генератор тактовых импульсов (ГТИ). Обычный аналоговый сигнал передавать по линиям связи чрезвычайно сложно, дорого, да и не нужно. Поэтому для передачи его дискретизируют. Второй блок, состоящий из умножителя и ГТИ называется дискретизатором. Из названия понятно, что на выходе ГТИ мы получаем прямоугольные импульсы. Перемножая их с исходным сигналом, получаем те же импульсы, но уже разной амплитуды. Выглядит это примерно так:
Как мы видим, расстояние между соседними импульсами много больше длительности самого импульса. для сравнения: длительность импульса обычно составляет единицы микросекунд, а интервал между ними для телефонного канала — 125 мкс. Образуется большое свободное время, которое тоже можно использовать. Именно на этом и основан принцип многоканальной связи. В образовавшиеся промежутки «засовывают» много других сигналов, что позволяет по одной линии передавать гораздо больше информации. Итак, на выходе мы имеем последовательность импульсов разной амплитуды. Но передавать этот сигнал все еще невозможно. Поэтому переходим к третьему блоку схемы.
3. Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Ну наконец-то наш все еще аналоговый сигнал станет цифровым! На этом этапе последовательность амплитуд импульсов преобразуется в двоичный код. На выходе имеем последовательность нулей и единиц (обозначим b(t)), в которую и зашита наша исходная информация. Казалось бы, вот он, цифровой сигнал, можно спокойно передавать его. Но нет, не выйдет. Наш сигнал все еще низкочастотный. Образно говоря, низкочастотные сигналы толстые и ленивые, сами они не смогут преодолеть огромные расстояния, ослабнут по дороге и не дойдут до получателя. Надо послать кого-то на помощь, и этим помощником будет высокочастотный сигнал, которому мы и «посадим на шею» наши нули и единицы. А как? Да просто — промодулировав.
4. Модулятор и генератор высокой частоты (ГВЧ). Как уже стало ясно из предыдущего блока, модуляция — это наложение низкочастотной информации на высокочастотный сигнал. Модулятор — это, простыми словами, умножитель, перемножающий сигналы низкой и высокой частоты. Различают три вида модуляции — амплитудная, частотная и фазовая. Не будем сейчас углубляться в особенности каждого вида, об этом, если кому интересно, расскажу потом, как и о преимуществах модуляции. Важно одно — мы наконец-то получили сигнал, который можно смело отправлять в долгое и сложное путешествие, не боясь, что он потеряется по дороге.
5. Усилитель. Э, нет, стоп, наш сигнал слабоват, чтобы сразу отправляться в путь. Надо бы усилить его предварительно. Собственно, для этого здесь и стоит усилитель — последняя преграда для сигнала перед путешествием.
6. Линия связи. Ужас для инженеров. Достаточно сказать, что на создание именно линии связи уходит 99,99% всех расходов. Это среда по которой передается сигнал. В случае с обычным стационарным телефоном — это провод. На этом этапе на сигнал больше всего воздействуют внешние шумы n(t) (от слова noise — шум). Если приемники и передатчики можно очень хорошо экранировать, практически полностью защитив от внешних воздействий, то километры провода обеспечить хорошим экранированием влетит в копеечку. Но как бы там ни было, вот наш сигнал, преодолев все препятствия на своем пути, добирается до места назначения. Но в таком виде, в каком он приходит, он еще не может явиться сразу к получателю. Надо сначала «вытрясти» с него нужную нам информацию. Чем мы и займемся.
7. Демодулятор. Процесс, обратный модуляции, т. е. мы убираем высокочастотный сигнал, оставляя ту самую последовательность нулей и единиц. Собственно, дальше все преобразования пойдут в обратном порядке, поэтому долго расписывать не стану. Итак, перед нами теперь цифровой сигнал. Ну а дальше…
8. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Занимается декодированием двоичного кода, выдавая нам ту самую (ну или почти ту саму, все-таки от помех никуда не деться) последовательность прямоугольных импульсов. Если соединить их верхушки, можно получить наш исходный сигнал и наконец-то донести до получателя что-то срочное и важное.
9. Фильтр нижних частот (ФНЧ). Голос человека — низкочастотный сигнал, поэтому в конце канала стоит ФНЧ. Он убирает все лишнее, оставляя только то, что необходимо скорее сообщить человеку на том конце провода. Вот, наконец, канал связи справился со своим предназначением.
10 Получатель. Динамик телефона сигнал U'(t) преобразует в голос, и собеседник слышит то, о чем мы хотели ему поведать. Весь процесс передачи занимает микросекунды. Конструируются устройства приемо-передачи, разрабатываются методы защиты от помех, прокладываются километры проводов — тысячи людей трудятся для того, чтобы мы каждый день могли слышать в трубке голос родного и близкого человека
Всех инженеров связи от всей души — с праздником! Успехов в профессиональной деятельности, новых великих достижений!
Собственно, на этом все.