Теория электрической связи: курс лекций

Москва
Горячая линия – Телеком
2014

УДК 621.382 
ББК 38.852 
     А65 

Р е ц е н з е н т ы :  начальник кафедры инфокоммуникационных систем и технологий Воронежского института МВД России, доктор техн. наук, профессор  О. И. Бокова; профессор кафедры конструирования и проектирования 
радиоэлектронной аппаратуры Воронежского государственного технического университета, доктор техн. наук, профессор  О. Ю. Макаров; 

 

Андреев Р. Н., Краснов Р. П., Чепелев М. Ю. 
А65   Теория электрической связи: курс лекций. Учебное пособие для 
вузов. – Горячая линия–Телеком, 2014. – 230 с.: ил. 
ISBN 978-5-9912-0381-4. 

Приведены общие сведения о статистической теории передачи сигналов. Рассмотрены математические модели сигналов, способы и виды 
аналоговой и цифровой модуляции, описываются принципы Фурьеанализа, теории информации. Приведены способы кодирования сигналов источника. Дан анализ методов оценки эффективности систем 
связи. Обсуждаются вопросы помехоустойчивого кодирования, реализации методов оптимального приема и обработки сигналов. Представлены общие принципы построения многоканальных систем связи. 
Для студентов и курсантов вузов, обучающихся по направлению 
«Инфокоммуникационные технологии». 

ББК 38.852 

 
Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 

 

Учебное издание 

Андреев Роман Николаевич, Краснов Роман Петрович,  

Чепелев Михаил Юрьевич 

ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ: КУРС ЛЕКЦИЙ

Учебное пособие 

Компьютерная верстка  Ю. Н. Чернышова 
Обложка художника  О. В. Карповой 

Подписано в печать  05.02.2014.  Формат 60×88/16. Уч. изд. л. 14,38.  Тираж 500 экз. (1-й завод 100 экз.) 
ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком» 
ISBN 978-5-9912-0381-4                                    © Р. Н. Андреев, Р. П. Краснов, 
                                                                                             М. Ю. Чепелев, 2014 
© Издательство «Горячая линия – Телеком», 2014 

Введение

Системы передачи данных включают очень широкий набор оборудования различного типа. При этом все они должны функционировать и взаимодействовать как единое целое. Понятно, что разработка таких систем — дело непростое. Необходимо принимать во
внимание множество деталей, тщательнейшим образом прорабатывать концепции взаимодействия отдельных блоков. В то же время
современная наука накопила столь значительный опыт по проектированию систем связи, что только описания базовых методов представляют весьма объемные тома. Невозможно решить прикладные
задачи проектирования и без знания фундаментальных законов физики, математики, теории вероятностей, ряда других отраслей знания.
Курс «Теория электрической связи» предназначен для ознакомления с базовыми принципами, учитываемыми при проектировании
систем передачи информации. Для того чтобы новый материал был
усвоен максимально полно, начало курса по сути представляет собой
повторение основных выводов теории вероятностей и спектрального
анализа, изучаемого в программах смежных дисциплин.
В пособии рассматриваются вопросы передачи данных, их распространения по каналу связи, приема и обработки, а также организации многоканальных систем связи. Практически все существующие системы передачи — цифровые. Поэтому значительная часть
объема пособия отведена для описания способов перевода аналоговых сигналов в цифровой вид.
Приведено также описание методов аналоговой и цифровой модуляции, необходимой для эффективного согласования параметров
сигнала с каналом связи. Уделено внимание алгоритмам кодирования источника и способам оценки эффективности телекоммуникационных систем.

Информация и информационные
системы

1.1. Основные понятия и определения

Система связи в общем случае предназначена для передачи информационных сообщений. Что представляет собой эта информация? Принято говорить, что информация есть совокупность сведений об интересующих нас событиях, процессах или явлениях. Следовательно, сообщение — это форма представления информации.
Поскольку сообщение может иметь различную природу (звук,
изображение, показатель датчика и т. д.), для его передачи от источника к приемнику информации необходимо провести преобразование
сообщения в сигнал. В этом смысле сигнал представляет физическую величину, изменение которой некоторым образом соответствует
передаваемому сообщению. Сигнал — это материальный носитель
сообщения.
Основными параметрами сигнала с точки зрения транспортировки являются: длительность Tс, ширина спектра Fс и динамический диапазон Dс.
Длительность сигнала определяет интервал времени, в котором
этот сигнал существует.
Ширина спектра сигнала — это интервал (диапазон) частот, в пределах которого сосредоточена основная
часть энергии сигнала. Для сигнала, определенного функцией времени s(t), его энергия

E =
∫ Tс

0
s2(t) dt.

Динамический диапазон — это отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к наименьшей. Динамический диапазон обычно выражают в децибелах:

Dс = 10 lg Pmax

Pmin
,

Информация и информационные системы
5

где Pmax, Pmin — максимальное и минимальное значения мгновенной
мощности.
Обобщающей характеристикой является объем сигнала, равный
произведению его длительности, ширины спектра и динамического
диапазона:
Vс = TсFсDс.

Физическая среда, по которой происходит передача сигналов от
передатчика к приемнику, называется линией связи.
Все сообщения по характеру изменения во времени можно разделить на непрерывные и дискретные.
Непрерывные по времени сообщения отображаются непрерывной функцией времени. Дискретные по времени сообщения характеризуются тем, что поступают в определенные моменты времени
и описываются дискретной функцией времени. Так как сообщения
носят обычно случайный характер, то непрерывные сообщения описываются случайной функцией времени, а дискретные — как последовательность случайных событий.
Сообщения можно также разделить на непрерывные и дискретные по множеству.
Непрерывные по множеству сообщения характеризуются тем,
что функция, их описывающая, может принимать непрерывное множество значений (континуум значений) в некотором интервале.
Дискретные по множеству сообщения — это сообщения, которые могут быть описаны с помощью конечного набора чисел или
дискретных значений некоторой функции.
Дискретности по множеству и времени не связаны друг с другом.
Поэтому возможны следующие типы сообщений:
а) непрерывные по множеству и времени, или просто непрерывные (рис. 1.1);
б)
непрерывные
по
множеству
и
дискретные
по
времени
(рис. 1.2);
в)
дискретные
по
множеству
и
непрерывные
по
времени
(рис. 1.3);
г) дискретные по множеству и времени, или просто дискретные
(рис. 1.4).
В широком смысле преобразование сообщений в сигнал называют кодированием сообщений. В узком смысле кодирование — это
отображение дискретных сообщений сигналами в виде определенных сочетаний символов.
Устройство, осуществляющее кодирование, называется кодером (кодирующим устройством). Естественно,

Р а з д е л 1

Рис. 1.1. Непрерывные типы сообщений
Рис. 1.2. Непрерывные по множеству и
дискретные по времени типы сообщений

Рис. 1.3. Дискретные по множеству и
непрерывные по времени типы сообщений

Рис. 1.4. Дискретные типы сообщений

при приеме такого сообщения возникает необходимость в обратном
преобразовании сигнала в сообщение, называемом декодированием.
Устройство, выполняющее такую процедуру, называется декодером.
Часто функции кодирования и декодирования выполняет одно
и то же устройство, имеющее общее название кодек (кодер-декодер).
На рис. 1.5 изображена обобщенная (и значительно упрощенная)
структурная схема системы связи.
Источник, на выходе которого вырабатывается непрерывное сообщение, называется непрерывным. Дискретное сообщение является
функцией дискретного или непрерывного времени и принимает конечное число возможных значений. Источник на выходе которого
вырабатывается дискретное сообщение, называется дискретным.

Рис. 1.5. Обобщенная схема телекоммуникационной системы

Информация и информационные системы
7

Сообщение от источника для последующей передачи преобразуется в сигнал при помощи кодирующего устройства.
В ряде случаев для того чтобы снизить влияние шума и интерференции сигнала в канале связи, последовательность битов от
кодера источника подвергается процедуре вторичного кодирования в
кодере канала. Получаемый код обладает некоторой избыточностью,
которая помогает обнаружить, а в некоторых случаях и исправить
ошибки, появляющиеся при передаче сигнала.
На практике часто необходимо обеспечить независимую передачу сообщений от нескольких источников. Поэтому возникает задача
построения систем, использующих одну линию связи для передачи
сообщений от нескольких источников. Такие системы называются
многоканальными. В них необходима операция уплотнения, то есть
формирования общего сигнала, переносящего данные от всех источников, который называют групповым сигналом.
Модуляция — это процесс, необходимый, чтобы согласовать параметры сигнала, выдаваемого кодером, с параметрами канала связи.
При этом под воздействием информационного сигнала, называемого также модулирующим, происходит изменение одного или
нескольких параметров некоторого сигнала (называемого модулируемым), согласованного с каналом связи.
Модулирующий сигнал, полученный непосредственным преобразованием сообщения, называется первичным.
Преобразованный
сигнал на выходе модулятора по отношению к преобразованному
первичному сигналу называется вторичным.
В передатчике выполняется усиление модулированного сигнала
и передача его в линию связи.
При распространении в линии связи сигналы подвергаются воздействию помех. Под помехами подразумеваются любые мешающие
внешние возмущения или воздействия (атмосферные помехи, влияния посторонних источников сигналов), а также искажения сигналов
в самой аппаратуре (аппаратурные помехи), вызывающие случайное
отклонение принятого сообщения сигнала от передаваемого.
На приемной стороне осуществляется восстановление по принятому сигналу переданного сообщения. При этом вначале производится демодуляция сигнала, в результате которой восстанавливается первичный сигнал.
Если принятый сигнал несет информацию от нескольких источников, он поступает на блок разделения, где происходит перенаправление каждого из информационных потоков к собственному получателю сообщений.

Р а з д е л 1

Вследствие различных искажений и воздействия помех принятый сигнал может существенно отличаться от переданного. Поэтому
проводится обработка принятого сигнала с целью наиболее полного
извлечения из него информации в блоке канального декодера, где
в получаемой битовой последовательности обнаруживаются и/или
исправляются ошибки.
После обработки производится декодирование сигнала, т. е. преобразование его в сообщение, поступающее к получателю.
Совокупность устройств, обеспечивающих независимую передачу сигналов разных источников сообщений по одной линии связи,
называется каналом связи.
В зависимости от характера сигналов на входе и выходе каналы делятся на дискретные, дискретно-непрерывные и непрерывные.
Сигналы на входах и выходах дискретных каналов — дискретные,
непрерывных каналов — непрерывные. Дискретно-непрерывным является канал, сигнал на входе которого — дискретный, а на выходе —
непрерывный.
По характеру применения каналы связи делятся на телефонные,
телевизионные, телеграфные, звукового вещания, передачи данных
и др. В зависимости от передачи сигнала по направляющим линиям
или в свободном пространстве каналы называются каналами связи
(закрытыми каналами) или радиоканалами (открытыми каналами).
К каналам связи относятся проводные каналы, работающие на частотах до тысяч килогерц, а также волоконно-оптические, работающие в оптическом диапазоне волн (1013...1015 Гц). К радиоканалам
относятся каналы связи, работающие в диапазоне волн от сверхдлинных (3 кГц) до децимиллиметровых (3000 ГГц). Наименование
диапазонов часот приведены в табл. 1.1.
Каналы связи, так же как и сигнал, характеризуются тремя параметрами: временем передачи Tк, полосой пропускания Fк и динамическим диапазоном Dк.
Время передачи Tк — это время, в течении которого ведется
передача информации.
Полоса пропускания канала Fк — это диапазон частот, в пределах которого значение нормированной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) канала больше уровня, равного 0,707.
Динамический диапазон Dк определяется отношением допустимой максимальной мощности Pmax передаваемого сигнала к мощности помехи Pп, присутствующей в канале:

Dк = 10 lg Pmax

Pп
.

Информация и информационные системы
9

Таблица 1.1

Номер
диапазона

Диапазон длин волн
Диапазон частот

Наименование
Границы
Наименование
Границы

4
Мириаметровые, или
сверхдлинные волны
(СДВ)

10...100 км
Очень низкие
частоты (ОНЧ)

3...30 кГц

5
Километровые, или
длинные волны (ДВ)

1...10 км
Низкие частоты
(ОНЧ)

30...300 кГц

6
Гектометровые, или
средние волны (СВ)

100...1000 м
Средние
частоты (СЧ)

300...3000 кГц

7
Декаметровые, или
короткие волны (КВ)

10...100 м
Высокие
частоты (ВЧ)

3...30 МГц

8
Метровые, или
ультракороткие
волны (УКВ)

1...10 м
Очень высокие
частоты (ОВЧ)

30...300 МГц

9
Дециметровые волны
(ДМВ)

10...100 см
Ультравысокие
частоты (УВЧ)

300...3000 МГц

10
Сантиметровые волны
1...10 мм
Сверхвысокие
частоты (СВЧ)

3...30 ГГц

11
Миллиметровые
волны

1...10 мм
Крайне высокие
частоты (КВЧ)

30...300 ГГц

12
Децимиллиметровые
волны

0,1...1 мм
Гипервысокие
частоты (ГВЧ)

300...3000 ГГц

Обобщающей характеристикой канала связи является его объем

Vк = TкFкDк.

Для неискаженной передачи сигнала по каналу связи необходимо, чтобы объем сигнала был меньше или по крайней мере равен
объему канала. Это условие называют условием согласования сигнала с каналом и записывают в виде

Vс ⩽ Vк.

Все задачи, стоящие перед информационными системами, сводятся обычно к двум основным проблемам: обеспечению высокой
эффективности и надежности системы.
Под эффективностью информационной системы понимается ее
способность обеспечить передачу данного количества информации
с наименьшими затратами мощности сигналов, времени и полосы
частот.
Скорость передачи информации определяется количеством информации, передаваемой в единицу времени. Максимально возможную скорость передачи информации принято называть пропускной
способностью системы. Пропускная способность характеризует потенциальные возможности системы.
Под надежностью систем передачи информации обычно понимается ее способность к безотказной работе в течение заданного про

Р а з д е л 1

межутка времени и в заданных условиях эксплуатации. При этом
под отказом понимается событие, приводящее к невозможности использования хотя бы одного из рабочих свойств системы.
Однако для информационных систем весьма важной характеристикой является информационная надежность, под которой будем
понимать способность системы передавать информацию с достаточно высокой достоверностью. Достоверность количественно характеризуется степенью соответствия принятого сообщения переданному.
Эту величину принято называть верностью.
Способность информационной системы противостоять вредному
действию помех называют помехоустойчивостью.

1.2. Контрольные вопросы

Что такое информация, сообщение, сигнал?
Какова связь между понятиями информация, сообщение, сигнал?
Каковы основные характеристики сигнала?
В чем заключается процесс преобразования сообщений в сигнал?
Что такое линия связи, канал связи?
Перечислите основные характеристики канала связи.
В чем заключается условие согласования сигнала с каналом?
Что понимается под многоканальными системами?
В чем заключается понятие надежности системы связи?
Что понимается под эффективностью и помехоустойчивостью информационных
систем?