Общая теория связи

Васюков В.Н. Общая теория связи: Учебник / Новосиб. гос. техн. ун-т. – Новосибирск, Изд-во НГТУ, серия «Учебники НГТУ», 2017. – 580 с.
Шифр 621.39 В201

Васюков В.Н. Общая теория связи: сборник задач и упражнений: учеб. пособие – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2015. – 72 с
Шифр 621.39 В201.

Васюков В.Н., Меренков В.М.
Общая теория связи: лабораторный практикум: учеб. пособие – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020. – 110 с
Шифр 621.39 В201.

Дополнительная литература
Васюков В.Н. Теория электрической связи. – Новосибирск, Изд-во НГТУ, серия «Учебники НГТУ», 2005. – 392 с.
Теория электрической связи. Учебник для вузов / Под ред. Д.Д. Кловского. – М.: Радио и связь, 1999. – 432 с.
Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В., Финк Л.М. Теория передачи сигналов: Учебник для вузов. – М.: Радио и связь, 1986. – 302 с.
Назаров М.В., Кувшинов Б.И., Попов О.В. Теория передачи сигналов: Учебник для электротехнических институтов связи. – М.: Связь, 1970. – 368 с. В

Дополнительная литература
Баскаков С.Н. Радиотехнические цепи и сигналы: Уч-к для вузов. – М.: Высшая школа, 1999. – 536 с.
Клюев Л.Л. Теория электрической связи. Уч. пособие – Минск: ДизайнПРО, 1998. – 329 с.
Акулиничев Ю.П. Теория электрической связи. Уч. пособие. – СПб.: Лань, 2010. – 240 с.
Биккенин Р.Р., Чесноков М.Н. Теория электрической связи. Уч. пособие. – М.: Академия, 2010 - 336 с.
Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Уч-к для вузов. – М.: Радио и связь, 1986. – 512 с.

http://www.nstu.ru/
Поиск НГТУ
Преподаватели и сотрудники
Веб-сайт
Учебные материалы
Общая теория связи

Что нам предстоит:
Весной – 18 лекций
18 практических занятий
4 лаб. работы
2 РГЗ
экзамен
Осенью – 18 лекций
8 практических занятий
4 лаб. работы
курсовая работа – отдельная оценка
итоговый экзамен

Согласно учебному плану, это
10 зачётных единиц;
360 часов учебной работы, в том числе:
162 часа аудиторных занятий, стало быть,
198 – внеаудиторных, включая два экзамена и
179 часов самостоятельной работы.
Иначе говоря, по 89,5 часов в семестр.
То есть минимум 5 часов в неделю необходимо работать с учебником, конспектом, размышлять (!!) и обсуждать с товарищами вопросы Общей теории связи

Правила аттестации –
модульно-рейтинговая система,
Всего за семестр 100 баллов
в том числе:
40 баллов – экзамен,
остальные 60 – работа в семестре,
в том числе:
20 баллов – практические занятия (5×4)
20 баллов – лабораторные работы (5×4)
20 баллов – РГЗ (2×10).

Баллы за практические занятия выставляются ТОЛЬКО по итогам контрольных работ.
Присутствие на занятиях подразумевается обязательным и баллов не дает.
Если занятия пропущены по любой причине, студент должен самостоятельно решить все задачи, рассмотренные на этих занятиях. По содержанию пропущенных занятий могут быть заданы дополнительные вопросы на защите РГЗ и/или на экзамене.

Начиная свое поприще, не теряй, о юноша! драгоценного времени!
Козьма Прутков, Мысли и афоризмы, № 33

Оптический телеграф братьев Шапп
был представлен в 1792 г. Национальному
конвенту под названием семафора (носителя знаков).

Охотничий рог
Военная сигнальная труба
«Говорящий» барабан
Сигнальный полевой гелиограф 1910

телеграфный аппарат
СТА-М67Б 1971 г.в.
Телеграфный аппарат Морзе. Первая четверть ХХ века

Общие сведения о системах
электрической связи
Системы связи предназначены для передачи информации.
Информация передается в виде сообщений.
Таким образом, сообщение – форма представления информации.

Сообщения
Сообщение – совокупность знаков (символов).
Текст телеграммы состоит из букв, цифр, пробелов и специальных знаков (А, б, 1, 7, ?, !, ...)

Телеграфное сообщение, готовое для передачи по каналу связи, состоит из канальных символов (например, из «точек», «тире» и пауз при использовании кода («азбуки») Морзе)
⋅ ⋅ ⋅ − − − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − − − ⋅ ⋅ ⋅

из символов 0 и 1 в коде Бодó:
00111 00101 01001 01110 00111 00011 11001

00111 00101 01001 01110 00111 00011 11001

Сообщения
В системе черно-белого телевидения сообщение - последовательность кадров, каждый кадр -последовательность значений яркости, упорядоченных согласно схеме телевизионной развертки

Сообщения
В телефонии сообщение – непрерывная последовательность значений изменяющегося во времени звукового давления на мембрану микрофона:

Сообщения
сообщения могут быть дискретными (состоящими из символов, принадлежащих конечному множеству – алфавиту), например, телеграмма
«встречай 18-30 вагон 6»
или непрерывными (континуальными, аналоговыми), описываемыми функциями непрерывного времени, например, речевое сообщение

Для передачи сообщения необходим материальный носитель или физический процесс, называемый сигналом.

В радиотехнике и электрической связи используются электрические сигналы, которые наилучшим образом приспособлены для передачи больших объемов данных на большие расстояния.

Сигналы
Обычно сигнал описывается некоторой функцией времени.
Аналоговый (континуальный) Квантованный
Дискретный Цифровой

Примеры аналоговых сигналов:
Гармоническое колебание
Видеоимпульс (не меняет знака или меняет несколько раз)
Радиоимпульс (меняет знак многократно)
- омéга

Примеры сигналов:
Экспоненциальный видеоимпульс
Колокольный (колоколообразный) видеоимпульс
Колокольный радиоимпульс

Примеры сигналов:
Фрагмент речевого сигнала
M-последовательность
Фрагмент дискретного сигнала

Системы связи
Система связи - совокупность устройств, выполняющих преобразования сообщений и сигналов с целью передачи сообщений от источника к получателю.
К показателям эффективности систем связи относятся верность (достоверность), скорость передачи информации, помехоустойчивость, а также некоторые другие величины.

Сообщение преобразуется преобразователем в сигнал , называемый первичным сигналом.
Первичный сигнал поступает в линию связи, где подвергается действию помех, в результате получается сигнал , который преобразуется в сообщение
Структура простейшей системы связи

Линии связи

Сообщение преобразуется преобразователем Пр1 в сигнал , называемый первичным сигналом.
Первичный сигнал, поступает на модулятор (передатчик) М, где используется для модуляции другого колебания , более подходящего для передачи и называемого переносчиком или несущим колебанием.
Структура простой системы связи

Модуляция – изменение одного или нескольких параметров переносчика в соответствии с изменением первичного сигнала (или передаваемого сообщения)
Часто переносчик – высокочастотное гармоническое колебание, параметры – амплитуда, частота, начальная фаза. Также применяется переносчик – периодическая последовательность импульсов одинаковой формы.
Цель модуляции – согласование сигнала с линией (каналом) связи
Структура простой системы связи

переносчик – высокочастотное гармоническое колебание, параметры – амплитуда, частота, начальная фаза.
Переносчики
переносчик – периодическая последовательность импульсов одинаковой формы,
параметры – высота (амплитуда), длительность, период повторения

Модуляция гармонического переносчика

Модуляция импульсного переносчика

Модулированный сигнал передается по линии связи, где подвергается искажениям и воздействию помех.
Искажения – это изменения формы сигнала, обусловленные неидеальностью линии (канала) связи.
Помехи – это «посторонние» колебания, мешающие передавать информацию.
Наблюдаемое колебание поступает на демодулятор ДМ.
Цель демодуляции (детектирования) – восстановление первичного сигнала по наблюдаемому колебанию
Структура простой системы связи

Точное восстановление первичного сигнала невозможно, т.к. помеха всегда случайна.
Восстановленный сигнал отличается от первичного.
Чем меньше отличие, тем выше верность.
Преобразователь Пр2 преобразует восстановленный сигнал в сообщение, которое также отличается от исходного сообщения
Структура простой системы связи

Структура дискретной системы связи с кодированием
Сообщение кодируется, т.е. его символы преобразуются кодером К в символы другого (кодового) алфавита. Обычно последовательность кодовых символов представлена в форме цифрового сигнала , которым модулируется переносчик.
Обратное преобразование выполняет декодер ДК.
Кодер и декодер, объединённые конструктивно – кóдек
Модулятор и демодулятор, объединённые конструктивно - модéм

Цели кодирования
согласование формы сообщения
со свойствами канала связи
(например, код Морзе при манипулировании ключом,
код Бодо при использовании
аппарата Бодо)
повышение скорости передачи информации (кодирование источника, энтропийное, статистическое, эффективное кодирование, сжатие)
повышение верности (помехоустойчивое, канальное кодирование)

Обычно один символ исходного сообщения заменяется совокупностью кодовых символов – кодовым словом (кодовой комбинацией)
Ж.М.Э. Бодó (1845 — 1903) – известный французский инженер (J.M.E. Baudot)
Если все кодовые слова имеют одинаковую длину – код равномерный (например, код Бодó),
00010 00011 00100 00101 00110 . . . .
если нет – неравномерный (например, код Хаффмана)
01 00 10 110 1110 11110 111110 . . . . . .

Шифрование
Цель шифрования – предотвращение несанкционированного извлечения или преднамеренного изменения информации противником.
Отличие от кодирования: коды известны всем, а шифры (точнее, ключи к ним) хранятся в тайне
При зашифровании производится замена открытого сообщения шифрограммой (шифртекстом), а при расшифровании – обратное преобразование.
Зашифрование выполняется до преобразования сообщения в первичный сигнал или в кодовую последовательность.

Структура дискретной системы связи с кодированием и шифрованием
ПР1
М
ДМ
ПР2
ЛС
S(t)
ξ(t)
Ш
К
ИС
ДК
ДШ
ПС
ИС – источник сообщения
ПР1,ПР2 – преобразователи сообщение/сигнал и сигнал/сообщение
М – модулятор
ДМ – демодулятор
ЛС – линия связи
ПС – получатель сообщения
S(t) – переносчик (несущее колебание)
ξ(t) – помеха
К – кодер ДК – декодер Ш – шифратор ДШ - дешифратор

Модуляция гармонического переносчика
Несущее гармоническое Амплитудно-модулированное
колебание (АМ) колебание
Частотно-модулированное Фазомодулированное
(ЧМ) колебание (ФМ) колебание

Дискретная (цифровая) модуляция гармонического переносчика (манипуляция)
Амплитудная манипуляция Частотная манипуляция
Фазовая манипуляция
Здесь посылка прямоугольная; на практике чаще применяются колокольные импульсы

Техническая скорость
Колебание при дискретной модуляции характеризуют технической скоростью (скоростью модуляции, скоростью телеграфирования), равной количеству элементарных посылок в секунду. Единицей измерения скорости модуляции является Бод (1 Бод соответствует одной посылке в секунду).
Бод назван в честь Ж.М.Э. Бодо
(Jean-Maurice-Émile Baudot, 1845 —1903)

Модуляция импульсной последовательности
Переносчик – периодическая последовательность импульсов одинаковой формы.
Периодическая последовательность импульсов одинаковой формы имеет три параметра:
пиковое значение («амплитуду») импульса,
длительность импульса,
частоту следования импульсов

При аналоговом первичном сигнале различают:
– амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ),
– широтно-импульсную модуляцию (ШИМ, или ДИМ),
– времяимпульсную модуляцию (ВИМ), при которой изменяется время задержки импульсов относительно среднего положения, и
– частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ), когда в такт с первичным сигналом изменяется частота следования импульсов.

Модуляция импульсного переносчика

Важнейшие характеристики систем связи
Верность (достоверность) дискретных систем связи определяется вероятностью безошибочного приема сообщения или отдельной посылки (больше – лучше).
Помехоустойчивость системы связи характеризуют отношением средних мощностей сигнала и помехи (ОСП), при котором обеспечивается заданная верность (меньше – лучше).
Верность систем передачи непрерывных сообщений часто характеризуется средним квадратом ошибки (меньше – лучше).

Демодуляция – восстановление первичного сигнала по принятому искаженному колебанию, а декодирование – восстановление дискретного сообщения по демодулированному сигналу.
Часто перед демодуляцией применяют дополнительное преобразование с целью повышения достоверности (уменьшения вероятности ошибки). Такое преобразование называют обработкой.
Оптимальной называется обработка, обеспечивающая наивысшую достоверность решения.
Квазиоптимальная (субоптимальная) обработка – проще и дешевле, при этом она обеспечивает достоверность, близкую к предельной.
Часто квазиоптимальная обработка представляет собой фильтрацию принятого колебания с целью подавления помех.

КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ ПО ТИПУ НЕЗАВИСИМОЙ ПЕРЕМЕННОЙ
аналоговые(континуальные) дискретные
(время непрерывно) (время дискретно)
импульс (аналоговый сигнал, определённый
на непрерывной временной оси)
видеоимпульсы радиоимпульсы
(не меняют знака или (меняют знак многократно)
меняют его несколько раз)

КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ ПО РАЗМЕРНОСТИ
НЕЗАВИСИМОЙ ПЕРЕМЕННОЙ
одномерные многомерные
(зависят от одного аргумента (зависят от многих аргументов
например, речевой сигнал) например, ТВ-кадр)
КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ ПО РАЗМЕРНОСТИ
ЗАВИСИМОЙ ПЕРЕМЕННОЙ
скалярные векторные
(принимают числовые значения – (принимают векторные
вещественные или комплексные) значения, например, ЭМП в точке)
Сигнал цветного ТВ – векторный (размерности 3); можно рассматривать его как одномерный (при передаче по каналу) или как двумерный (при обработке и анализе кадра) или как трехмерный (как последовательность кадров)

КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ ПО ОТНОШЕНИЮ
К ПЕРЕДАЧЕ СООБЩЕНИЙ
полезные мешающие (помехи)
(служат для передачи (являются причиной потери сообщений) информации)
КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ ПО ХАРАКТЕРУ
ПРОЯВЛЕНИЯ (ОПИСАНИЯ)
детерминированные случайные
квазидетерминированные

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОМЕХ ПО СПОСОБУ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С СИГНАЛОМ
аддитивные (от английского add – складывать),
мультипликативные (от английского multiply – умножать) и
смешанные (сюда относятся все взаимодействия, не сводимые к аддитивному или мультипликативному).
Все помехи, как и все сигналы, являются случайными!
(если помеха детерминированная, то её можно исключить из наблюдаемого колебания, и таким образом избавиться от её вредного воздействия на сообщение)

Системы и каналы связи

Каналы связи
Совокупность устройств и линий связи, которые сигнал проходит последовательно между любыми двумя точками системы связи, называется каналом связи. Таким образом, каналы связи могут соединяться последовательно друг с другом, один канал может входить составной частью в другой канал и т.п.

где и – соответственно максимальное и минимальное возможные значения сигнала (напряжения или тока)
Длительность сигнала , измеряемая в секундах (с).
Любой сигнал можно представить суммой (суперпозицией) гармонических колебаний с определенными частотами, поэтому вторая «габаритная характеристика» – ширина спектра, или полоса частот сигнала , равная разности наивысшей и низшей частот его гармонических составляющих и измеряемая в герцах (Гц).
Динамический диапазон, измеряемый в децибелах (дБ) и определяемый формулой
Сигнал, как «объект транспортировки»
− объем сигнала

Канал, как «транспортное средство»
характеризуется параметрами, аналогичными параметрам сигнала:
– время действия канала , измеряемое в секундах;
– полоса пропускания канала , измеряемая в герцах;
– динамический диапазон канала в децибелах, определяемый максимальным и минимальным значениями сигнала, которые могут передаваться по данному каналу:
− объём (ёмкость) канала
− необходимое условие передачи информации без потерь

− необходимое условие передачи информации без потерь
возможен «обмен» одних параметров сигнала на другие!
длительность на полосу (ускоренная или замедленная передача)
динамический диапазон на время или полосу (кодирование, ИКМ)

По характеру связи входа и выхода
Каналы
Линейные
Нелинейные
Случайные
Детерминированные
Каналы
Стационарные
Нестационарные

Необходимость математических моделей
Общий подход к разработке и проектированию современных технических систем, в том числе систем связи, заключается в получении оптимальных или хотя бы субоптимальных технических решений. Такие решения, как правило, не могут быть получены эмпирическим (опытным) путем – методом «проб и ошибок».
Для этого необходимо иметь соответствующие теоретические, а значит, математические методы.

Нужна математическая теория, описывающая с единых позиций все многообразие электрических сигналов, применяемых в проводной и радиосвязи, радио- и телевизионном вещании, радиолокации и радионавигации, автоматике и телемеханике, глобальных и локальных компьютерных сетях и во многих других областях техники, поэтому следующая БОЛЬШАЯ тема –

ТЕОРИЯ СИГНАЛОВ