Системы связи. 
Общая теория связи

Напомним, что системы связи предназначены для передачи сообщений из одной точки пространства в другую через канал связи. При этом канал связи должен обладать определенными свойствами — в частности, пропускать заданную полосу частот, иметь одну или несколько несущих и т. д. Системы связи включают в себя все основные устройства, применяемые в большинстве радиотехнических систем передачи информации. В теории связи принято следующее определение: системой связи называется совокупность технических средств для передачи сообщений от источника к потребителю.

По виду передаваемых сообщений различают следующие системы:

• • передачи речи (телефония);
• • передачи данных;
• • радиовещания;
• • передачи подвижных изображений (телевидение);
• • передачи текста (телеграфия);
• • передачи неподвижных изображений, рисунков и текста (фототелеграфия).

По назначению телефонные, радиовещательные и телевизионные системы делят на вещательные, отличающиеся высокой степенью качества воспроизведения сообщений, и профессиональные, имеющие специальное применение (служебная связь, промышленное телевидение и т. д.).

Повсеместное внедрение высокоэффективных и скоростных компьютеров привело к необходимости быстрого развития систем передачи данных, обеспечивающих обмен информацией между вычислительными средствами и объектами автоматизированных систем управления и измерения. Этот вид связи по сравнению с другими отличается более высокими требованиями к скорости и верности передачи информации.

Достаточно условно все существующие системы электросвязи можно разделить на два больших класса: симплексные и дуплексные системы связи.

Под симплексной связью (от лат. simplex — один; связь «один-ко-всем») понимают связь между двумя пунктами, при которой в каждом из них передача и прием сообщений ведутся поочередно на одной несущей частоте. Часто симплексную связь используют для передачи информации только в одном направлении, например радиовещание, телевидение, оповещение и т. д.

Дуплексная связь (от лат. duplex — двойной; связь «один-на-один») — двусторонняя связь между двумя пунктами, при которой передача и прием сообщений осуществляются одновременно на разных несущих частотах (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Структурная схема организации дуплексной связи.

Сейчас применяют разновидность симплексной электросвязи — полудуплексную (half-duplex) связь, или двухчастотный симплекс, когда система связи обеспечивает поочередно передачу и прием на двух разных несущих частотах с использованием ретрансляторов (от лат. translator — переносчик) — устройств, используемых как промежуточный приемо-передающий пункт линии связи.

По числу используемых каналов различают одноканальные и многоканальные системы связи. Об одноканальных системах связи уже говорилось выше.

Система связи называется многоканальной, если она обеспечивает передачу нескольких сообщений по одному каналу. Основная задача многоканальных систем связи — одновременная передача сообщений от многих источников, т. е. увеличение пропускной способности. Повышение эффективности использования канала связи достигается применением разных методов уплотнения каналов, за счет сокращения избыточности сообщений и организации так называемого многоканального и мпогостанционного {множественного) доступа абонентов.

Для увеличения пропускной способности большинства систем связи применяют временное и частотное уплотнение сигналов (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Структурные схемы модуляторов систем связи с уплотнением:

а — временным; б — частотным Амплитудная, частотная и фазовая модуляция позволяет строить многоканальные системы с частотным уплотнением (разделением) каналов (ЧРК), обусловленным использованием несущих колебаний с различными частотами. Достоинствами системы с ЧРК являются сравнительная простота и возможность передачи широкополосных сообщений с достаточно большой шириной полосы, например телевизионных.

Импульсная модуляция дает возможность разрабатывать многоканальные системы связи с временным уплотнением каналов (ВРК), обладающие заметными преимуществами перед системами связи с ЧРК. К этим достоинствам относятся высокая точность передачи сигналов и возможность передавать совместно сообщения ряда каналов в одном частотном диапазоне, поскольку сообщению каждого канала будет соответствовать своя последовательность импульсов.

При временном уплотнении, благодаря тому что сигналы передают не непрерывно, а только их отсчетами (выборками) в очень короткие временные интервалы, на одной несущей частоте можно передавать ряд различных сигналов. Для этого разные сигналы U₂(t),…, U_n(t), отражающие группу из п передаваемых сообщений, подают на аналоговый мультиплексор (селектор или аналоговый коммутатор) (рис. 1.12, а). Суммарные сигналы аналогового мультиплексора U^t) с помощью импульсного модулятора и задающего генератора переносят на частоту /₀ и через усилитель мощности подводят к передающей антенне.

Частотное уплотнение сигналов осуществляют предварительно дополнительной модуляцией на поднесущих частотах —/,/₂, …,/_я (рис. 1.12, 6). Поднесущие частоты значительно превышают частоту передаваемого сигнала, но во много раз меньше несущей частоты. При частотном уплотнении передаваемые сигналы предварительно поступают на модуляторы поднесущих частот, где осуществляется требуемая модуляция. В большинстве случаев разделения каналов каждому источнику сообщения выделяется специальный сигнал, называемый канальным. Промодулированные сообщениями канальные сигналы объединяются, в результате чего образуется групповой сигнал (ГС). Необходимые элементы модуляторов поднесущих частот — полосовые фильтры (на рис. 1.12, б не показаны), настроенные на поднесущие частоты и подавляющие спектральные составляющие соседних каналов. Затем промодулированные сигналы с поднесущими подаются на основной модулятор, работающий на основной несущей /₀, и в виде суммарного сигнала U_T(t) через антенну излучаются в пространство.

Системы и сети электросвязи делят на наземные и спутнико-космические.

В наземных системах волны распространяются в пределах земной атмосферы.

Особенностью спутнико-космических систем электросвязи является наличие в их составе искусственных спутников Земли (ИСЗ), на которых располагаются ретрансляторы сигналов. В целом система состоит из наземного и космического сегментов. С помощью систем космической электросвязи передают огромные объемы сообщений: трансляция множества телевизионных каналов, компьютерных данных, телефонных, телефаксных и иных сообщений.

Аналоговые системы электросвязи. Упрощенная структурная схема радиоканала с амплитудной модуляцией (AM; от англ, amplitude modulation — AM) несущего колебания представлена на рис. 1.13.

На структурной схеме для наглядности упрощенно показаны эпюры (осциллограммы) сигналов в некоторых ее характерных точках.

Физиологические возможности организма человека не позволяют ему непосредственно воспринимать электрические сигналы и выделять из них передаваемые сообщения. Поэтому в телекоммуникационных системах используются специальные преобразователи различных сообщений в электрический сигнал и обратно. Например, преобразование звуковых колебаний в электрические осуществляется с помощью микрофона. Обратное.

Рис. 1.13. Упрощенная структурная схема канала аналоговой системы электросвязи

преобразование электрического сигнала в звуковые колебания производится электродинамическим громкоговорителем телефона.

Одним из важных звеньев любой системы связи является источник сообщений, который может быть аналоговым или дискретным. Выход аналогового источника может иметь любое значение из непрерывного диапазона амплитуд. При использовании цифровой (дискретной) связи источники аналоговой информации преобразуются в источники цифровой информации посредством дискретизации, квантования и оцифровки.

Часто исходное сообщение s = s (t.) не является электрическим, может иметь любую физическую природу (изображение, звуковое колебание и т. п.), и поэтому его необходимо преобразовать в электрический (первичный) сигнал y (t) с помощью электрофизического преобразователя сигнала (ЭФПС), проще — преобразователя сигнала, который часто совмещают с кодирующим устройством — кодером. Источником сообщения при телефонной передаче является говорящий, при телевизионной — передаваемое изображение и т. д. При передаче речи и музыки преобразователем сигнала и кодером служит микрофон; при передаче изображения — передающие телевизионные трубки или специальные матрицы. Если рассматривать телефонный проводной канал связи, то в нем линия связи, по которой передается сообщение, — телефонный провод. Часть трубки, которую мы подносим к уху, выполняет роль декодирующего устройства (декодера) и преобразователя сигнала (электрические сигналы снова преобразуются в звуки). Сообщение поступает в «принимающее устройство» — ухо человека на другом конце провода. Капал включает в себя телефонные аппараты (устройства), провода (предметы) и аппаратуру АТС (устройства). В последнее время в структурных (и принципиальных) схемах радиоканала источник сообщения и преобразователь сигнала объединяют в одно звено, называемое источником первичных сообщений, а кодер включают отдельно.

Как уже отмечалось, передаваемый (первичный) сигнал является низкочастотным. Однако термин «низкочастотный» здесь достаточно условен, в частности телевизионный сигнал имеет спектр с полосой порядка 0—6 МГц. Поэтому в ряде случаев первичный сигнал непосредственно передают по линии связи. Так поступают, например, в обычной городской телефонной сети. Для передачи на большие расстояния (с помощью кабеля, оптического волокна или радиоканала) первичный сигнал преобразуют в высокочастотный.

Необходимым условием преобразования сообщения в электрический сигнал является обратимость преобразования. В этом случае по выходному сигналу можно восстановить входной первичный сигнал, т.с. получить всю информацию, содержащуюся в переданном сообщении.

Передающее устройство включает в себя кроме преобразователя сигнала передатчик (содержащий модулятор, генератор несущей частоты и усилитель мощности) и передающую антенну. Для передачи сообщения отражающий его сигнал необходимо предварительно ввести в несущее высокочастотное колебание. Это осуществляется в модуляторе передатчика. Несущее колебание вырабатывается генератором несущей частоты. В последние годы в качестве генераторов несущих частот используют синтезаторы частот. Генераторы формируют когерентное несущее колебание, имеющее стабильные параметры. В частности, начальная фаза их колебаний в течение длительного времени настолько постоянна, что приемные устройства используют это свойство и извлекают из него пользу.

Процесс, в результате которого один или несколько параметров несущего колебания изменяются, но закону передаваемого сообщения, называется модуляцией. Процесс модуляции является по существу операцией переноса спектра первичного сигнала, отображающего сообщение, в область радиочастот (рис. 1.14, а). Модулированное высокочастотное колебание относят к вторичным сигналам и называют радиосигналом. Академик А. А. Харкевич так образно оценил значение модуляции при передаче информации: «Излучение радиоволн без модуляции подобно чистой странице; модулированное колебание подобно странице, на которой нанесены знаки и буквы».

Образно говоря, модулятор (и кодирующее устройство — кодер) «записывает» передаваемое сообщение в изменениях параметров несущего колебания (радиоволны). Следовательно, совместное действие модулятора и генератора несущей частоты позволяет превратить передаваемые низкочастотные сигналы (сообщения) в высокочастотные колебания, которые излучаются антенной и распространяются в свободном пространстве. Если перестраивать генератор несущей частоты или использовать синтезатор частот, то можно найти диапазон частот, свободный от посторонних радиосигналов.

Наиболее простым и распространенным способом введения передаваемого сообщения (модулирующего сигнала) в высокочастотное несущее колебание служит амплитудная модуляция (рис. 1.14, б, в). При амплитудной модуляции по закону передаваемого сообщения изменяется только амплитуда несущего колебания при неизменных остальных его параметрах.

Природа также использует принцип амплитудной модуляции при издании звука человеком. Звуки образуются в результате прохождения воздушного потока из легких через голосовые связки и полости рта и носа. Голосо;

Рис. 1.14. Частотные и временные диаграммы к процессу амплитудной модуляции:

а — перенос спектра при модуляции; б — модулирующий сигнал; в — несущее колебание;

г — AM-сигнал выми связками возбуждают звуки относительно высоких частот (несущее колебание), которые модулируются мускулами губ и полости рта (модулирующий сигнал), делающими не более 10 движений в 1 с. Строение рта таково, что человек не может мускулами губ непосредственно издавать звуковые колебания с частотами выше 10 Гц.

Положим, что передаваемое сообщение отражено непрерывным модулирующим сигналом (см. рис. 1.14, б), представляющим собой непрерывную функцию времени e (t). В качестве несущего колебания в связи практически всегда используют высокостабильный высокочастотный гармонический сигнал (см. рис. 1.14, в)

где U, — амплитуда (максимальная высота синусоиды) в отсутствие модуляции (амплитуда несущего колебания); со₀ — угловая (круговая) частота; Ф₀ — начальная фаза; i (t) = со/ + ф₍₁ — полная (текущая или мгновенная) фаза.

Круговая частота со₀, период колебаний Т₀ и циклическая частота /₀ = = 1 /Т₀ связаны между собой соотношением.

При амплитудной модуляции огибающая амплитудно-модулированного сигнала (AM-сигнала) U_n(t) совпадает по форме с модулирующим сигналом (рис. 1.14, г). Поэтому выражение (1.1) примет вид.

Здесь к_л — безразмерный коэффициент пропорциональности, такой что всегда U_u(t) > 0. Как уже отмечалось, передача и прием модулированных электромагнитных колебаний (радиосигналов) осуществляются с помощью антенн. Полученный на выходе модулятора передающего устройства радиосигнал усиливается в усилителе мощности до необходимого уровня, поступает в передающую антенну и излучается в окружающую среду (в линию связи).

Высокочастотные сигналы, улавливаемые приемной антенной, поступают в приемник, структура которого является зеркальным отражением структуры передатчика — сигнал проходит через блоки, осуществляющие преобразования, обратные по отношению к тем, что проводились в передатчике. Приемная антенна улавливает малую долю энергии, излученную передающей антенной. Поэтому принятые антенной модулированные колебания после отфильтровывания их с помощью селективных (избирательных) цепей от помех и сигналов других радиостанций (цепи фильтрации на рисунке для упрощения не показаны) подают на усилитель высокой частоты (УВЧ), обычно являющийся малошумящим усилителем. УВЧ, помимо усиления, также селектирует (выделяет) полезный сигнал из совокупности многих радиосигналов и помех, одновременно поступающих на приемную антенну.

На всех этапах прохождения сигнала, несущего информацию от источника к приемнику, на сигнал воздействуют помехи (шумы). Пусть требуется передать сообщение s, которое преобразуется преобразователем сигнала в электрическое колебание y (t), а на выходе передающего устройства принимает вид сигнала u (t). В процессе передачи сигнал u (t) практически всегда искажается, поскольку на него накладываются помехи r (t). В результате воздействия помех объем информации, поступающей к приемнику, уменьшается. В частности, при передаче речи в результате воздействия помех кроме переданного слова сигнал u (t) содержит шум, который может сделать слово неразборчивым. Приемное устройство обрабатывает принятое колебание z (t) = ii (t) + r (t), представляющее собой сумму пришедшего искаженного сигнала ii (t) и помехи r (t), и восстанавливает по нему после преобразования и детектирования из сигнала y (t) сообщение 5, которое с некоторой погрешностью отображает переданное сообщение s. Другими словами, приемник должен на основе анализа колебания z (t) определить, какое из возможных сообщений передавалось.

Следует помнить, что в системах связи с помощью передающих антенн из выходных колебаний передатчика формируется электромагнитная волна — пространственно-временной сигнал u (t, г), который зависит не только от времени t, но и от многих пространственных координат точки приема г = г (х, у, z). Полезный пространственно-временной сигнал, но уже совместно с помехами z (t> г) = u (t, г) + r (t, г) создается в месте приема (на входе приемного устройства). Обычно он сначала посредством приемной антенны превращается в чисто временной сигнал z (f), который в дальнейшем подвергается уже временной обработке. Вопросы формирования и обработки пространственно-временных сигналов в настоящей книге не рассматриваются, т. е. в дальнейшем будем считать, что устройства преобразования «временной сигнал — электромагнитное поле» на передаче и «электромагнитное поле — временной сигнал» на приеме включены внутри заданной линии связи. Эти вопросы рассматриваются в специальных дисциплинах.

Усиление радиосигналов осуществляется и в последующих каскадах приемника. При этом непосредственное усиление сигнала используется крайне редко. Дело в том, что при переходе на прием другой станции требуется перестраивать избирательный усилитель, сохраняя высокую частотную селекцию, т. е. выделять полезный сигнал из других сигналов и помех. Эта проблема становится чрезвычайно сложной, когда требуется большое усиление и, следовательно, применение нескольких усилительных каскадов. Задача существенно упрощается, если в приемнике используется преобразователь частоты, в котором разные несущие частоты сигналов, поступающих на вход его смесителя, преобразуются (точнее, переносятся) с помощью вспомогательного многочастотного генератора (гетеродина) в сигналы с одинаковой, более низкой несущей частотой /_11Ч, называемой промежуточной. На выходе преобразователя частоты включают фильтр, который выделяет полезный сигнал. При этом дальнейшее усиление сигналов будет происходить на одной частоте без перестройки схем в усилителе промежуточной частоты (УПЧ), который производит основное усиление в приемнике и улучшает селекцию по частоте полезного сигнала. Такой приемник называется супергетеродинным.

Детектор (от лат. detectio — обнаруживать, выделять), или демодулятор, осуществляет процесс, обратный модуляции, — выделяет из принятого, усиленного и преобразованного высокочастотного модулированного колебания передаваемый сигнал. Основная задача детектирования — по возможности полное восстановление информации, содержащейся в модулирующем сигнале (искаженном при передаче помехой) y (t), поступившем с преобразователя частоты. Поэтому главное требование к детектору — точное воспроизведение формы передаваемого сигнала, чтобы он поступал к получателю неискаженным.

Получатель сообщений приемника преобразует низкочастотный электрический сигнал детектора в форму, удобную для получателя. Как правило, источник первичных сообщений и оконечное устройство в структурную схему системы электросвязи не включают.

Степень закрытости сообщения. В последние годы даже в аналоговых системах связи применяют кодирование и шифрование сообщений. Для этого в схемы передатчика и приемника сообщений включают кодер (простейший — АЦП), а в оконечное устройство приемника — декодер, устанавливая их соответственно перед модулятором и после детектора. С помощью такого вида кодирования и модуляции источник сообщений согласуют с каналом связи.

Часто кодирование применяют и для обеспечения секретности (закрытости) передаваемого сообщения, т. е. его правильного понимания только тем получателем, которому оно адресовано. Такое требование обязательно, например, в военном деле: противник не должен перехватить и рассекретить передаваемую информацию. Обычно требуется закрывать информацию экономического характера, чтобы обезопасить себя от конкурентов. При передаче банковской информации также надо обеспечить ее конфиденциальность. Секретность передаваемого сообщения обеспечивают не только кодированием, но и шифрованием, которое используется для обеспечения секретности связи, предотвращает понимание сообщения несанкционированным пользователем и введение в систему ложных сообщений. Шифрование обеспечивает более сложный способ засекречивания сообщения согласно определенному алгоритму и ключу.

К признакам аналоговых каналов связи относятся следующие. Во-первых, большинство каналов можно считать линейными. Во-вторых, на выходе канала даже в отсутствие полезного сигнала всегда имеются помехи. В-третьих, сигнал при передаче по каналу претерпевает задержку, но времени и затухание по уровню. И наконец, в реальном аналоговом канале всегда имеют место искажения сигнала, обусловленные несовершенством характеристик канала.

Цифровые (дискретные) системы электросвязи (ЦСС, от англ, digital communication system — DCS). Вплоть до середины 1960;х гг. (в России — до середины 1970;х гг.) практически все существовавшие системы связи были аналоговыми. До этого цифровых систем связи практически нс существовало, несмотря на то что импульсно-кодовая модуляция (ИКМ, от англ .pulse code modulation — PCM) была известна с 1938 г. (изобрел ИКМ французский инженер А. Ривс). Первое упоминание о разработанной фирмой «Белл» реальной дискретной системе связи с ИКМ появилось в 1947 г.

Под дискретной системой связи понимают систему, в которой и передаваемый, и принимаемый сигналы являются последовательностями дискретных символов. Типичным примером такой системы является телеграфия, в которой и сообщение, и сигнал являются последовательностями точек, тире и промежутков между ними. Импульсные методы модуляции интенсивно развивались с начала 1940;х гг. в связи с развитием радиолокации, однако И КМ не находила широкого практического применения ввиду громоздкости цифрового оборудования вплоть до появления в 1959 г. компьютеров второго поколения.

Чаще всего кодирование здесь сводится к записи номера уровня в двоичной системе счисления, т.с. в случае применения ИКМ дискретные значения непрерывного сигнала передаются в виде кодовых комбинаций «1» и «0», или двоичным кодом. В дальнейшем будем рассматривать в основном цифровые системы, в которых непрерывное сообщение преобразовано в последовательность кодовых комбинаций, составленных из двоичных символов. В цифровых системах передачи информации энергия полезного сигнала излучается не непрерывно (как при синусоидальном переносчике — гармонической несущей), а в виде коротких импульсов. Это позволяет при той же общей энергии излучения, что и при непрерывном переносчике, увеличить пиковую (максимальную) мощность в соответствующем импульсе и тем самым повысить помехоустойчивость приема. Задачей приемника в цифровых системах является не точное воспроизведение переданного сигнала, а выделение из искаженного шумами сигнала именно того сигнала из конечного набора, который был послан передатчиком.

В качестве переносчика первичного сигнала e (t) в цифровых системах связи используют периодическую последовательность радиоимпульсов. Упрощенная структурная схема радиоканала цифровой системы связи показана на рис. 1.15, где для наглядности и лучшего понимания изображены упрощенные эпюры сигналов в ряде се характерных точек. В подобных системах вместо генераторов несущих частот используют синтезаторы, что отражено на рисунке.

Непрерывные сообщения можно передавать и по дискретным (цифровым) каналам. Для этого их преобразуют в цифровую форму с помощью операций дискретизации по времени, квантования по уровню и кодирования.

Рис. 1.15. Упрощенная структурная схема радиоканала цифровой системы связи

Методы дискретизации и квантования в последнее время стали называть форматированием (знаковое кодирование) и кодированием источника. И форматирование, и кодирование источника включают оцифровку передаваемого сигнала; основное отличие состоит в том, что кодирование источника дополнительно включает сокращение избыточности информации.

Задачей форматирования (formatting) является обеспечение совместимости сообщения (или исходного сигнала) со средствами цифровой обработки системы связи. Форматирование с целью передачи — это преобразование исходного сообщения в цифровые символы (в канале приема происходит обратное преобразование). С этого момента передаваемый первичный сигнал представляется цифровым кодом, или потоком битов, — некой последовательностью стандартных импульсов («единиц») и пауз («нулей»), обычно одинаковой длительности.

Если помимо форматирования информации применяется ее сжатие, то процесс называют кодированием источника. В передающем устройстве цифровой системы электросвязи кодирование передаваемого си гнала выполняется современной цифровой логической микросхемой — кодером.

Считается, что цифровые сообщения имеют логический формат двоичных нулей и единиц и для передачи проходят этап импульсной модуляции, в результате чего преобразуются в низкочастотные (импульсные) сигналы — видеоимпульсы. Затем эти сигналы могут передаваться по каналу передачи данных. Часто форматирование считают частным случаем кодирования источника.

Следующий этап передачи сообщений — помехоустойчивое кодирование. Идея помехоустойчивого кодирования заключается в том, что к передаваемому сообщению добавляют избыточные неинформативные символы. Цель внесения избыточности — сделать возможные кодированные сообщения как можно больше отличающимися друг от друга для обеспечения исправления на приемной стороне всех или некоторых ошибок, возникших в процессе передачи. После помехоустойчивого кодирования сообщение поступает в модулятор. Цифровое сообщение в модуляторе передатчика преобразуют в аналоговый модулированный сигнал, занимающий заданную полосу частот. Для этого несущее колебание модулируют полученной в кодере импульсной последовательностью. Чаще всего в цифровых системах связи используют импульсно-кодовую модуляцию.

Итак, в цифровой системе передачи информации превращение сообщения в радиосигнал осуществляется тремя операциями: преобразованием, кодированием и модуляцией. Отметим, что кодирование определяет математическую сторону, а модуляция — физическую сторону превращения сообщения в радиосигнал. Кодирование представляет собой преобразование передаваемого сообщения в последовательность кодовых символов (см., например, код 1 101 передаваемого сигнала на рис. 1.15), а модуляция — преобразование этих символов в сигналы, пригодные для передачи по цифровому каналу.

В приемнике после усиления на радиочастоте в УВЧ и преобразования частоты и усиления в блоке «Преобразователь с УПЧ» из сигнала промежуточной частоты с помощью демодулятора извлекается и регенерируется (восстанавливается) последовательность кодовых символов. Затем производится декодирование этих символов в декодере. Процесс декодирования состоит в восстановлении переданного сообщения по принимаемым кодовым символам. С выхода декодера восстановленный аналоговый сигнал поступает к получателю сообщений.

В современных цифровых системах связи используют два специфических аналого-цифровых устройства — кодеки и модемы. Кодеком называют пару преобразователей кодер/декодер (КОдер и ДЕКодер), а модемом — пару преобразователей модулятор/демодулятор (МОдулятор и ДЕМодулятор).

Модемы выполняют ряд различных функций и в зависимости от принципа их реализации делятся на проводные, сотовые и пр. На рис. 1.16 приведена упрощенная структурная схема одного из типов проводных модемов. Подобный модем может работать в дуплексном режиме, если применена четырехпроводная линия связи, или полудуплексном режиме, если используется двухпроводная линия обычной городской телефонной связи.

Рис. 1.16. Упрощенная структурная схема проводного модема

В режиме приема данных с линии связи в модеме с помощью корректора устраняются искажения передаваемых сигналов, возникающие чаще всего в результате ограниченной полосы пропускания телефонного канала, неравномерности амплитудно-частотной характеристики (ЛЧХ) и нелинейности фазочастотной характеристики (ФЧХ). С выхода корректора сигнал подается на детектор (демодулятор), преобразующий модулированное колебание в напряжение, форма которого воспроизводит низкочастотный передаваемый сигнал аналогового или цифрового вида. В схему модема входит также блок управления. Практически по такой же структурной схеме выполняется связной высокочастотный радиомодем, использующийся в радиоканале системы связи небольшого (менее 1 км) радиуса действия.

Следует четко представлять, что декодирование и демодуляция — это не просто операции, обратные кодированию и модуляции, выполняемые над пришедшим в приемник сигналом. В результате воздействия помех и различных искажений в линиях связи принятый сигнал может существенно отличаться от передаваемого. Поэтому всегда можно высказать ряд предположений (гипотез) о том, какое сообщение передавалось. Главной задачей приемного устройства является принятие решения о том, какое из возможных сообщений действительно передавалось источником. Для принятия такого решения необходимо проанализировать пришедший сигнал. С этой целью он подвергается различным преобразованиям, которые и называют обработкой сигнала.

Одной из основных проблем теории связи является отыскание правил оптимальной обработки сигнала, при которой решение о переданном сообщении оказывается наиболее достоверным. Эти правила зависят от свойств канала связи и методов передачи (кодирования и модуляции). При обработке принятый сигнал подвергается анализу с учетом всех сведений об источнике (например, о вероятностях, с которыми источник посылает то или иное сообщение), о применяемом коде и методе модуляции, а также о свойствах радиоканала. По итогам анализа обычно можно определить условные (апостериорные) вероятности возможных гипотез и на основании этих вероятностей принять решение, результат которого и поступает к получателю. Та часть приемника, которая выполняет анализ приходящего сигнала и принимает решение о переданном сообщении, представляет собой специальную систему распознавания и называется решающей схемой.

В системах передачи непрерывных сообщений с аналоговой модуляцией решающая схема определяет по пришедшему искаженному вторичному сигналу наиболее вероятный переданный первичный сигнал и восстанавливает его. В таких системах решающей схемой является демодулятор. Решающая схема приемника в системах передачи дискретных сообщений состоит, как правило, из двух частей: первой решающей схемы — демодулятора и второй решающей схемы — декодера. В некоторых случаях при передаче дискретных сообщений операции демодуляции и декодирования выполняет одно устройство, которое приходящую последовательность элементов сигнала преобразует сразу в последовательность символов (букв) сообщения. Такой метод приема сообщений называют совместной демодуляцией-декодированием, в отличие от поэлементного приема с двумя решающими схемами.

В ряде случаев применяют решающие схемы с двумя порогами. В простейшем случае первая решающая схема представляет собой пороговое устройство, работающее по принципу «да или нет». Если принятый элемент сигнала выше установленного порога, выдается один символ кода (например, «1»), если ниже — другой (например, «О»), При попадании уровня сигнала между двумя порогами никакого решения не принимается — вместо сомнительного элемента сигнала выдается специальный символ стирания. Включение стирающего символа облегчает возможность правильного декодирования принятой комбинации.

Особое влияние на качество приема сигналов оказывает точность синхронизации переданных и принятых сигналов. Различают тактовую синхронизацию (определение границ единичных элементов сигнала), цикловую синхронизацию (правильное разделение кодовых комбинаций), синхронизацию несущих частот и др. Погрешности синхронизации передаваемых и принимаемых сигналов приводят к снижению достоверности приема сообщений, а иногда и к неверному приему всего сообщения или его части. Наиболее часто в системах передачи информации применяют цикловую синхронизацию. Простейшим методом, позволяющим на приеме отделить одну кодовую комбинацию от другой, является стартстопный режим передачи, когда в начале и конце каждой кодовой комбинации передают специальные синхросигналы («старт» и «стоп»). Такой метод передачи относят к асинхронным, поскольку передача очередной кодовой комбинации может начинаться в любой момент времени после окончания предыдущей комбинации. При синхронных методах передачи кодовые элементы сигнала передают непрерывно через одинаковые промежутки времени. Тогда разделение кодовых комбинаций осуществляют с помощью цикловой синхронизации.

Между аналоговыми и цифровыми каналами имеется существенное различие. Цифровые каналы менее подвержены искажению и интерференции радиоволн, чем аналоговые. Поскольку двоичные цифровые каналы дают значимый по мощности сигнал только при работе в одном из двух состояний — включенном или выключенном, возмущение должно быть достаточно большим, чтобы перевести рабочую точку канала из одного состояния в другое. Наличие всего двух состояний передаваемого сигнала при цифровой связи (как правило, это «О» и «1») облегчает его восстановление и, следовательно, предотвращает накопление в процессе передачи шумов или других возмущений. В дискретных системах передачи информации и связи ошибка при передаче сообщений возникает лишь тогда, когда сигнал опознается неправильно, а это возможно только при искажениях, превышающих некоторый оптимальный порог сигнала.

Аналоговые сигналы, наоборот, не являются сигналами с двумя состояниями; они могут принимать бесконечное множество форм. В аналоговых системах любое, даже сколь угодно малое воздействие помехи на сигнал, вызывающее искажение модулируемого параметра, всегда влечет за собой внесение погрешности в передаваемое сообщение. Поэтому абсолютно точное восстановление переданного сообщения в них практически невозможно. При использовании цифровых технологий очень низкая частота возникновения ошибок и применение процедур выявления и коррекции ошибок делают возможной высокую точность приема сигнала.

При цифровой обработке сигналов оказалось возможным реализовать сложные алгоритмы, которые не под силу аналоговой технике. Прежде всего это касается важнейшего раздела современной теории связи — создания адаптивных связных систем, изменяющих обработку сигнала при изменении его параметров.

При передаче и коммутации различные типы цифровых сигналов можно рассматривать как идентичные: ведь бит остается битом. Кроме того, для удобства коммутации и обработки цифровые сообщения могут группироваться в автономные единицы, называемые пакетами. В цифровые технологии естественным образом внедряются функции, защищающие от интерференции и подавления сигнала либо обеспечивающие шифрование или секретность.

Цифровые системы требуют более интенсивной обработки, чем аналоговые. Кроме того, для цифровых систем необходимо выделение значительной части ресурсов для синхронизации на различных уровнях. Аналоговые системы, наоборот, легче синхронизировать. Еще одним недостатком систем цифровой связи является то, что ухудшение качества носит пороговый характер. Если отношение сигнал/шум падает ниже некоторого порога, качество обслуживания может скачком измениться от очень хорошего до очень плохого.