1.3. Сигналы электросвязи и их спектры

Рассмотрим наиболее часто встречающиеся сигналы электросвязи и обсудим их спектры.

Телефонные (речевые) сигналы. Человек набрал в легкие воз­дух и издал звук. Что же произошло? Воздух, выходя из легких, за­ставляет вибрировать голосовые связки. От них колебания воздуха передаются через гортань голосовому аппарату, заканчивающемуся ротовой и носовой полостями (рис. 1.9).

Последние выполняют роль резонаторов - они усиливают коле­бания воздуха, подобно тому, как полый корпус гитары или скрипки, также являясь резонатором, усиливает звуки струн. Колебания возду­ха из голосового аппарата человека передаются окружающему возду­ху. Возникает звуковая волна. Характер издаваемого звука определя­ется натяжением голосовых связок, формой ротовой полости, поло­жением языка, губ и т.д.

Из описания голосового аппарата человека нетрудно понять, что го­лосовые связки играют роль своеобразных струн, они создают основной тон и обильное количество обертонов. Частота основного тона речи ле­жит в пределах от 50...80 Гц (очень низкий голос - бас) до 200...250 Гц (женский и детский голоса). При разговоре частота основного тона меня­ется в значительных пределах, особенно при переходе от гласных зву­ков к согласным, и наоборот.

В совместном звучании основной тон и обертоны создают соответ­ствующую окраску звука или тембр. Один тембр отличается от друго­го числом и силой обертонов. При преобладании в человеческом го­лосе высоких обертонов над низкими мы слышим в нем «звучание металла». Люди, у которых в голосе преобладают низкие обертоны, говорят мягким, бархатным голосом.

Рис. 1.9. Кривая звукового давления при произнесении звука «а» мужским голосом

Для получения формы кривой звукового давления, создаваемого речью человека, нужно сложить синусоидальные кривые основного тона и обертонов. Из-за наличия большого числа обертонов форма результирующей кривой будет сложной. На рис. 1.9 показано, какое давление создает звук «а», произнесенный мужским голосом с часто­той основного тона 200 Гц (период основного тона 5 мс). Для переда­чи звука на расстояние он в телефонном аппарате превращается в сигнал. Для этой цели служит микрофон.

Телефон был изобретен А.Г. Беллом, учителем в школе глухоне­мых в американском городе Бостоне в 1876 г. С тех пор в его конст­рукцию было внесено много усовершенствований. В частности, в со­временном телефоне используется чувствительный угольный микро­фон (рис. 1.10). В нем мембрана соприкасается с угольным порош­ком. Пока в микрофон не говорят, сопротивление порошка остается неизменным и через него от батареи в линию (провода) протекает постоянный ток. Стоит произнести в микрофон какое-нибудь слово, порошок под действием колеблющейся мембраны будет то спрессо­вываться, то разрыхляться. Изменение плотности порошка приводит к изменению его электрического сопротивления, а значит, и к измене­нию тока, текущего через порошок. В проводах, идущих от микрофо­на, рождается электрический ток, повторяющий форму звукового дав­ления.

Изучение речи показывает, что речь - это процесс, частотный спектр которого находится в пределах от 50...100 до 8000...10000 Гц. Установлено, однако, что качество речи остается вполне удовлетво­рительным, если ограничить спектр снизу и сверху частотами 300 и 3400 Гц.

Рис. 1.10. Превращение звука в электрический сигнал с помощью микрофона

Рис. 1.11. Спектр человеческой речи

Эти частоты приняты Международным союзом электросвязи (МСЭ) в качестве границ эффективного спектра речи. При указанной полосе частот сохраняется хорошая разборчивость речи и удовлет­ворительная натуральность ее звучания.

На рис. 1.11 показан спектр речи. Как видно из ри­сунка, некоторые частотные составляющие речи усилены, а другие ослаблены. Усиленные области спектра частот называют­ся формантами. Звуки речи различных людей отличаются числом формант и их расположением в частотном спектре. Отдельные звуки могут иметь до шести формант, из которых только одна или две являются определяющими. Они обязательно находятся в диа­пазоне частот 300...3400 Гц. Между формантами лежат менее мощные составляющие звуковых частот. Однако именно они при­дают голосу каждого человека индивидуальность, позволяющую узнавать говорящего.

Сигналы звукового вещания. Источниками звука при передаче программ вещания обычно являются музыкальные инструменты или голос человека. Формирование сигналов звукового вещания и их при­ем осуществляется так же, как и телефонных сигналов. Используются лишь другие типы микрофонов.

Спектр звукового сигнала занимает полосу частот 20...20 000 Гц. Од­нако в зависимости от требований к качеству воспроизведения ширина спектра сигнала вещания может быть ограничена. Для доста­точно высокого качества (каналы вещания первого класса) полоса частот должна составлять 50...10 000 Гц, для безукоризненного вос­произведения программ вещания (каналы высшего класса) -30...15000ГЦ.

Факсимильные сигналы. Обратите внимание на то, как вы чи­таете книгу. Ваши глаза скользят по строке слева направо, затем вы переходите к началу другой строки и т.д. до конца страницы. Словом вы «просматриваете» все элементы строки последовательно. Можно сказать, что при чтении книги происходит построчная развертка тек­стового изображения.

Именно по такому принципу «просматривается» изображение в со­временных факсимильных аппаратах, предназначенных для передачи на расстоянии различного рода неподвижных изображений (докумен­тов, чертежей, рисунков, фотографий). Для этого с помощью источника света и системы оптических линз формируют световое пятно так, чтобы освещать на передаваемом изображении площадку размером, скажем, 0,2x0,2 мм. Это световое пятно перемещается сначала вдоль одной строки, затем переходит на другую и движется по ней - и так до конца последней строки. Свет, отражаясь от каждой элемен­тарной площадки, попадает на фотоэлемент и вызывает в его цепи ток (рис. 1.12). Значение этого тока зависит от яркости отраженного света, а последняя - от яркости освещенной площадки. Таким обра­зом, при переходе светового пятна на изображении от одной элемен­тарной площадки к другой ток в цепи фотоэлемента меняется про­порционально яркости площадок: мы получаем точную электрическую копию изображения.

Рассмотрим изображение, состоящее только из двух цветов: черного и белого, например, страницу книги, какой-либо чертеж и т.п. Очевидно, каждый элемент изображения (напомним, что раз­мером он всего 0,2x0,2 мм) будет представлять собой либо чер­ную, либо белую площадку, напоминая чередованием шахматную доску. Черные площадки практически полностью поглощают па­дающий на них свет. Яркость отраженного ими света при этом на­столько ничтожна, что при просмотре черных площадок ток в цепи фотоэлемента не возникает. Наоборот, площадки белого цвета почти полностью отражают падающий на них свет, и при попадании на них светового луча ток в цепи фотоэлемента скачком принимает максимальное значение. Таким образом, перемещая световое пят­но, а вслед за ним и фотоэлемент вдоль каждой строки изображе­ния, получаем на выходе фотоэлемента последовательность им­пульсов (рис. 1.12).

При таком «шахматном» чередовании элементов изображения спектр факсимильного сигнала будет шире, чем для любого другого изображения, поскольку круче фронтов импульсов, чем у прямоуголь­ных, не бывает.

Рис. 1.12. Преобразование изображения в электрический сигнал в факсимильном аппарате

Ширина спектра факсимильного сигнала зависит от скорости раз­вертки изображения и размеров светового пятна.

На стандартном листе бумаги формата А4 в строке помещается примерно 1000 черно-белых элементов изображения при ширине пятна 0,2 мм. Если в факсимильном аппарате скорость развертки составляет 60 строк/мин, т.е. каждая строка считывается за 1 с, то за эту секунду 500 раз будет осуществлен переход с черного на белое, или наоборот. Это означает, что максимальная частота че­редования импульсов равна 500 Гц. При ширине светового пятна 0,1 мм в строке будет в 2 раза больше элементов изображения, и максимальная частота чередования импульсов повысится до 1000Гц. Так как для сохранения хорошей степени «прямоу-гольности» импульсов нужно передавать кроме основной гармони­ки еще и несколько высших, то ширина спектра факсимильного сигнала может простираться до 1,5...3,0 кГц.

При увеличении скорости развертки изображения черные и белые площадки будут считываться чаще и, следовательно, спектр факси­мильного сигнала будет шире. При передаче изображений с полуто­нами получается сигнал сложной формы, спектр которого является непрерывным и соединяет все частоты от нуля до максимальной.

Факсимильная связь широко используется для передачи газетных полос (т.е. их изображений) в пункты централизованного печатания. Для передачи газет используют специальные высокоскоростные фак­симильные аппараты с шириной светового пятна 0,05 мм. Повышен­ная скорость развертки позволяет передавать одну газетную полосу за 2-3 мин. Это приводит к расширению спектра факсимильного сиг­нала до 180 кГц.

Телевизионные сигналы. Любое подвижное изображение - это, как правило, смена через каждые 40 мс одного неподвижного изобра­жения другим (25 кадров в 1 с). За время между сменой кадров нужно успеть просмотреть все неподвижное изображение, которое содержит полмиллиона элементарных площадок или элементов изображения (625 строк по 833 элемента в строке). Значит, каждый элемент изо­бражения придется рассматривать в течение одной полумиллионной доли от отведенных на весь кадр 40 мс. Это непостижимо короткий отрезок времени - всего две десятимиллиардных доли секунды! Яс­но, что ни одно механическое устройство не способно перемещать световое пятно и фотоэлемент по строкам изображения с такой ско­ростью.

Вы никогда не задумывались над тем, что вы видите на экране те­левизора, когда усаживаетесь перед ним в свободный вечер? Изображение? Нет, в действительности на экране никакого изображения нет, абсолютно никакого! Если бы мы сумели открыть глаза на какую-то ничтожную долю секунды (а речь идет о миллионных и даже мил­лиардных долях), то увидели бы на экране всего одну светящуюся точку. Это она бежит с невероятной скоростью по экрану, оставляя в нашем глазу след (мы видим то, чего уже нет, еще в течение 0,1 с), изменяющийся по яркости.

Что же заставляет светящуюся точку перемещаться с такой голо­вокружительной быстротой? Электронный луч. Это он способен почти мгновенно отклоняться под действием изменяющегося магнитного поля и развертывать «картинки». Это его можно очень точно сфо­кусировать с помощью специальных электрических «линз». Первые опыты с электронным лучом начались в самом начале XX в. Еще в 1907 г. профессор Петербургского технологического института Б.Л. Розинг сконструировал первую электронно-лучевую трубку и по­лучил на ней изображение, правда, невысокого качества. Изобрете­ние в начале 30-х годов прошлого столетия первых качественных пе­редающих трубок связано с именами советских ученых, пионеров отечественного телевидения С.И. Катаева и П.И. Шмакова.

Как бы не отличались конструкции передающих телевизионных трубок разных лет, все они в чем-то имитируют глаз. Роль хруста­лика выполняет объектив, роль зрачка - диафрагма. Имеется в трубке и своя «сетчатка» - пластинка, напоминающая пчелиные соты, в ячейках которых располагаются микроскопические фото­элементы. Конечно, их намного меньше, чем фоторецепторов в глазу: всего около 0,5 млн. Изображение, которое нужно превра­тить в серию электрических импульсов, проектируется с помощью объектива на эту искусственную «сетчатку». Каждый микроскопи­ческий фотоэлемент (представляющий собой капельку светочувст­вительного серебряно-цезиевого сплава) получает свою порцию света и, если его подключить к внешней цепи, создаст ток, пропор­циональный освещенности. Что касается электронного луча, то он как раз и подключает поочередно каждый из 500 000 фотоэлемен­тов к внешней цепи трубки, причем отводится ему на это всего 40 мс, пока не сменится кадр. Таким образом, на одном элементе изображения луч «задерживается» не более 80 миллиардных до­лей секунды (т.е. 80 не). Величина тока во внешней цепи трубки отражает в каждый момент времени яркость соответствующего элемента изображения, спроектированного объективом на «сетчат­ку» передающей трубки, и является точной электронной копией передаваемого изображения.

Подсчитаем ширину спектра телевизионного сигнала. Пусть и на этот раз чередуются черные и белые площадки (элементы). Всего таких элементов будет 625 строк х 833 элемента = 520 625. В секунду меняется 25 кадров, т.е. 25 х 520 625 = 133 015 625 элементов. Значит, переход с черного на белое, или наоборот, происходит примерно 6 500 000 раз в 1 с. Максимальная частота повторения импульсов равна 6,5 мГц, что и принято за верхнюю границу ширины спектра телевизион­ного сигнала. Нижней границей считают 50 Гц (нижняя граница сигнала звукового сопровождения).

Во время смены строк и кадров развертывающий луч приемной трубки должен быть погашен. Кроме того, необходимо синхронизиро­вать лучи приемной и передающей трубок. Таким образом, кроме сиг­нала изображения необходимо передавать вспомогательные управ­ляющие импульсы (гасящие и синхронизирующие). Электрический сигнал, включающий в себя сигнал изображения и управляющие им­пульсы, называется полным телевизионным сигналом.

В системах цветного телевидения передаваемое изображение расчленяется с помощью светофильтров на три одноцветных изо­бражения - красное, зеленое и синее. Красные, зеленые и синие лучи попадают каждый на свою телевизионную трубку. В приемном уст­ройстве путем сложения трех одноцветных изображений воспроизво­дится передаваемое цветное изображение.

Таким образом, спектр телевизионного сигнала простирается от 50 Гц до 6,5 мГц.

Телеграфные сигналы и сигналы передачи данных. Все рас­сматриваемые до сих пор сообщения и сигналы являются непрерыв­ными. Сообщения и сигналы телеграфии и передачи данных относят­ся к дискретным.

Устройства преобразования телеграфных сообщений и данных в электрический сигнал представляют каждый знак сообщения (букву, цифру) в виде определенной комбинации импульсов и пауз одинако­вой длительности. Импульс соответствует наличию тока на выходе устройства преобразования (например, телеграфного аппарата), пау­за - отсутствию тока.

В телеграфии таблица, которая ставит в соответствие буквам, цифрам и другим знакам комбинации импульсов и пауз, называется телеграфным кодом. Если обозначить импульс через 1, а паузу че­рез 0 и воспользоваться международным телеграфным кодом МТК-2, то можно, например, знак А записать в виде 11000, знак В - в виде 10011 и т.д.

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 (буквы, цифры и др.) и выдают их на печатающее устройство либо на эк­ран дисплея.

Заметим, что чем меньше длительность импульсов, отображаю­щих сообщения, тем больше их будет передано в единицу времени. Величина, обратная длительности импульса, называется скоростью телеграфирования: , где - длительность импульса, с.

В честь французского инженера Ж. Бодо единицу скорости теле­графирования назвали бодом. При длительности импульса = 1 с скорость В = 1 Бод. В телеграфии используются импульсы длитель­ностью 0,02 с, что соответствует стандартной скорости телеграфиро­вания 50 Бод. Применяются и другие скорости телеграфирования (например, 75 Бод). Скорости передачи данных существенно выше. Существует аппаратура передачи данных со скоростями 200, 600, 1200 Бод и более.

Сигналы телеграфии и передачи данных обычно имеют вид по­следовательностей прямоугольных импульсов.

Посмотрите внимательно на рис. 1.14. Можно представить (разу­меется, чисто условно) поток импульсов в виде суммы двух последо­вательностей: регулярной и случайной. Спектр регулярной последо­вательности дискретный и создает нечетные гармоники тактовой час­тоты (т.е. частоты следования), а случайная последовательность имеет непрерывный заштрихованный спектр. Эти спектры показаны на рис. 1.15.

При передаче двоичных сигналов (т.е. 0 и 1) нет необходимости восстанавливать в приемнике импульсы без искажений, т.е. сохранять их форму; для восстановления информации достаточно зафиксиро­вать только знак импульса при двуполярном сигнале либо наличие или отсутствие при однополярном сигнале. Расчеты показывают, что импульсы можно уверенно зафиксировать, если для их передачи используется ширина полосы частот, численно равная скорости пе­редачи в бодах.

Рис. 1.15. Спектры случайной (а) и регулярной (б) составляющей потока импульсов

Так, 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.

Для удобства спектры основных сигналов электросвязи сведены в табл. 1.1. Даже беглый взгляд на табл. 1.1 позволяет понять, что для передачи разных видов сигналов требуется различная ширина поло­сы пропускания системы электросвязи.

Таблица 1.1. Ширина спектров сигналов электросвязи

Контрольные вопросы

1. На какие простейшие составляющие «раскладывается» периодически по­вторяющийся прямоугольный импульс?

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

3. У какого импульса амплитуда спектральных составляющих убывает быст­рее: а) более короткого или более длинного? б) с более крутым фронтом или с более пологим? в) повторяющегося чаще или реже?

4. Какие частотные диапазоны занимают спектры основных сигналов элек­тросвязи?

Список литературы

1. Бакалов В.П., Дмитриков В.Ф., Крук Б.И. Основы теории цепей: Учебник для ву­зов / Под ред. В.П.Бакалова. - М.: Радио и связь, 2000. - 592 с.

2. Бакалов В.П., Воробиенко П.П., Крук Б.И. Теория электрических цепей. Учебник для вузов. Под ред. В.П. Бакалова. - М.: Радио и связь. 1998. - 444 с.

3. Бакалов В.П., Журавлева О.Б., Крук Б.И. Анализ линейных электрических цепей: Учебное пособие для дистанционного обучения. - Новосибирск: СибГУТИ, 2001.