Способы передачи информации. Передача аналоговых сигналов

Передаваемое по телефонной линии устное сообщение, или иные звуковые сигналы, не являются единственными сигналами, которые распространяются по линии связи. Часть таких служебных сигналов уже обсуждалась при рассмотрении примера об установлении соединения между вызывающим и вызываемым абонентами: это был сигнал о готовности телефонного оборудования станции к приему и обработке набираемого номера, использование импульсных либо тональных сигналов для передачи на телефонную станцию набираемого номера, сигнал, оповещающий о том, что телефон вызываемого абонента занят, или о том, что на телефоне вызываемого абонента звучит сигнал вызова.

Эти сигналы предназначены для того, чтобы предоставить вызывающему абоненту информацию о выполнении соединения или о текущем состоянии выполняемого соединения. Эти сигналы получили общее название управляющих, или контрольных, сигналов. Они могут быть как аналоговыми (тональными), так и цифровыми (двухуровневыми, действующими по принципу «включено-выключено», иногда их называют релейными). Если бы кто-нибудь решил исследовать вид используемых в районных телефонных сетях сигналов, то он обнаружил бы и аналоговые звуковые сигналы, аналоговые тональные сигналы и цифровые двухуровневые сигналы. Все это представляло бы смесь из аналоговых и цифровых сигналов.

По линии связи передаются как речевой сигнал, так и сигналы управления и контроля. Речевой сигнал, как правило, является аналоговым, однако, сигналы управления или контроля могут быть как цифровыми, так и аналоговыми.

Передача аналоговых сигналов. Те сигналы, которые имеют непрерывный характер и постоянно изменяющуюся по какому-либо закону амплитуду (либо частоту), называют аналоговыми. Речь или голос человека относятся к этому типу сигналов. На рис. 1.7 приводится типичное распределение акустической энергии в речевом сигнале по частоте.

По вертикальной оси отложена относительная энергия голоса, а по горизонтальной — частота. График наглядно показывает, что основная энергия голоса человека сосредоточена в частотном диапазоне, простирающемся от частоты, немного меньшей 100 Герц (Гц), до частоты, несколько превышающей 6000 Гц. Однако было установлено, что энергия речевого сигнала, необходимая для ясного распознавания речи, находится в еще более узком частотном диапазоне, простирающемся от 200 до 4000 Гц.

Ширина полосы пропускания звукового канала.Телефонные сети предназначены для передачи сигналов в ограниченном частотном диапазоне. Это обеспечивает передачу сигналов с частотами, соответствующими речевому диапазону, однако, ограничивает распространение нежелательных шумов и помех.

Для предотвращения передачи нежелательных сигналов (помех или шумов), которые могли бы исказить речь либо сигналы управления, телефонные сети проектируются таким образом, чтобы пропускать сигналы только определенного частотного диапазона. Частотный диапазон, сигналы которого могут передаваться по сети, получил название ширины полосы пропускания. Для систем телефонной связи полоса пропускания голосового канала лежит в диапазоне от 0 до 4000 Гц. (Иногда эту полосу пропускания называют каналом передачи сообщений.)

Ширина полосы пропускания равна разности частот между верхней и нижней границами полосы пропускания, таким образом, полоса пропускания голосового канала составляет 4000 Гц. При этом, однако, не вся полоса пропускания голосового канала используется для передачи речи. Ширина полосы пропускания, предназначенной для передачи речи человека, находится в диапазоне частот от 300 до 3000 Гц, как это показано на рис. 1.7. Таким образом, любой сигнал, передаваемый по телефонной линии и находящийся в диапазоне частот от 300 до 3000 Гц, называется внутриполосовым сигналом — рис. 1.8.

Рис. 1.8.Внутриполосовые и внеполосовые сигналы

Любой сигнал, частота которого не находится в пределах полосы частот от 300 до 3000 Гц, но находится в пределах голосового канала, называется внеполосовым сигналом. Человеческая речь является внутриполосовым сигналом. Часть сигналов управления и контроля попадает во внутриполосовой диапазон, а часть находится во внеполосовом диапазоне.

Уровень сигнала в голосовом канале.Громкость звука, или амплитуда сигнала, в телефонных сетяхобычно соотносится с уровнем данного сигнала. Уровень сигнала выражается в виде той энергии, которую сигнал способен предать в нагрузку. Например, пара телефонных проводов, проходящих в телефонном кабеле (или шлейф), образует линию передачи, имеющую полное комплексное сопротивление (или импеданс) величиной 600 Ом. Термин «импеданс» используется применительно к цепям переменного тока, тогда как термин «сопротивление» используется применительно к цепям постоянного тока. Как показано на рис. 1.9, мощность, передаваемая в симметричную (согласованную по нагрузке) пару линии передачи, составляет

,

где

P_load — мощность, выраженная в ваттах;

e_s — уровень сигнала, выраженный в вольтах;

Z — полное комплексное сопротивление (импеданс), выраженное в омах.

Уровень сигнала обычно принято выражать относительно какого-нибудь уровня, принятого как относительный или опорный. В телефонии и акустике в качестве такого относительного уровня обычно принимается 1 милливатт (мВт) мощности, передаваемой в нагрузку. Если P_load равняется 1 мВт (0,001 Вт), а Z равняется 600 Ом, то в соответствии со схемой, изображенной на рис. 1.9:

Рис. 1.9.Мощность, передаваемая в телефонную пару

Следовательно, сигнал с уровнем 0,775 В на нагрузке 600 Ом обеспечит передачу мощности в 1 милливатт.

Уровень сигнала в любой точке цепи соотносится с уровнем мощности величиной в 1 мВт, рассеиваемой в нагрузке с сопротивлением 600 Ом, или соотносится с 0 дБм. Помимо этого на практике используются и другие специальные шкалы относительного уровня, выраженного в децибелах (дБ), что не должно никого смущать.

Уровень передаваемого аналогового сигнала, имеющего постоянную частоту, также может быть выражен в децибелах (дБ). Это несколько иной способ выражения мощности сигнала, передаваемого в нагрузку. В технике для сравнительного описания отношения мощностей используется следующее выражение:

Такой способ является наиболее рациональным для выражения отношения двух уровней мощности: Р1 и Р2. В табл. 1.1 приведены некоторые значения такого отношения.

Таблица 1.1.Относительные уровни мощности, выраженные в децибелах

Принято специальное выражение для величины децибела, когда в качестве относительного или опорного уровня мощности Р2 используется значение 1 мВт. В этом случае соотношение мощностей в децибелах выражается в специальных единицах, дБм (уровень мощности сигнала в децибелах относительно 1 милливатта мощности, рассеиваемой в нагрузке 600 Ом). Таким образом, из табл. 1.1 следует, что если Р2 равняется 1 мВт, то сигнал с уровнем 0 дБ будет передавать в нагрузку мощность Р1, равную 1 мВт. Это вытекает из того, что отношение мощностей Р2 к Р1 должно быть равно единице. Сказанное также можно выразить иначе: когда уровень передаваемого сигнала с мощностью Р1 в нагрузку 600 Ом составляет 20 дБм, то это соответствует передаче 100 мВт мощности (Р1), определяемой относительно мощности опорного уровня Р2, составляющего 1 мВт.

В телефонии уровень сигнала 0 дБм обычно устанавливается на передающем конце линии передачи на выходе искателя. Эта точка впоследствии используется в качестве опорной или относительной точки системы, получившая название «точка нулевого уровня передачи (0 TLP)». После того как определена точка нулевого уровня передачи и к ней приложен сигнал с нулевым уровнем, выраженным в децибелах, то все остальные значения усиления и ослабления в канале передачи между данной точкой и точкой следующего выхода искателя могут быть измерены непосредственно относительно точки нулевого уровня передачи. Если измеряется величина (значение) сигнала, то используются единицы «дБм0». Если же измеряется только относительное усиление или ослабление сигнала, то используются единицы «дБ».