4.3 Первичные сигналы электросвязи

Системы связи должны быть спроектированы таким образом, чтобы качественно, то есть своевременно и без потерь передавать информацию, содержащуюся в исходном сообщении. Рассмотрим основные характеристики наиболее распространенных видов сообщений: звуковые и оптические.

Звук - это колебательное движение частиц упругой среды, распространяющиеся в виде волн в газообразных, жидких или твердых средах и воспринимаемые органами чувств человека.
Для анализа звука могут быть использованы различные методы. Одной из широко применяемых характеристик звука является его спектр, получаемый в результате разложения звука на гармонические составляющие. Человек может слышать звуки в диапазоне частот от 4… 6 Гц до 20 кГц. Частота основной составляющей спектра определяет воспринимаемую на слух высоту звука, а набор гармонических составляющих - тембр звука. Энергетическая характеристика звуковых колебаний определяется звуковым давлением, воспринимаемым человеком как громкость звука.

Источниками звука могут быть любые явления, вызывающие местные изменения давления. В качестве источников звука широко применяются колеблющиеся твердые тела, например, струны и деки музыкальных инструментов, диффузоры громкоговорителей, мембраны телефонов и разнообразные электроакустические преобразователи. В качестве приемников звука используются микрофоны и другие акустоэлектрические преобразователи.

Значительную долю звуковых сообщений представляют сигналы речи. Звуки речи образуются в результате прохождения воздушного потока из легких через голосовые связки и полость рта и носа. Частота колебаний основного тона лежит в пределах от 50… 80 Гц (бас) до 200… 250 Гц (детский и женский голоса). Речь человека кроме основного тона содержит большое количество гармоник (до 49), причем их амплитуды убывают с увеличением частоты.

Энергетический спектр сигнала речи представляет собой усредненное распределение энергии звуковых колебаний в полосе частот. Степень воздействия звука на органы чувств принято оценивать в относительных единицах, вычисляемых как уровень звукового давления:

β = 10 lg[П²(f)/П²₀], [дБ],     (4.13)

где П²(f) - средний квадрат звукового давления, оказываемый гармоническими составляющими звука, расположенными в окрестностях частоты f в полосе частот, равной 1 Гц; П₀ - порог слышимости (минимальное звуковое давление, которое начинает ощущаться человеком с нормальным слухом на частоте 600…800 Гц).

Здесь далее в качестве количественных характеристик сигналов и систем связи используется десятичный логарифм отношения двух величин одинаковой размерности. Одна единица такой величины называется Бел (обозначается [Б]) в честь американского ученого Александра Белла. Единица измерения один Бел - это достаточно большая величина, и на практике обычно применяют единицу измерения, в 10 раз меньшую - децибел (обозначается [дБ]).

Энергетические спектры звуковых сигналов: русской и английской речи, приведены на рисунке 4.7. Спектры этих сигналов имеют различия, но максимальные составляющие этих спектров (как и спектры речи других языков) лежат в диапазоне частот 0,6… 1,0 кГц. В общем случае речь представляет собой широкополосный процесс, частотный спектр которого простирается от 50…100 Гц до 8…10 кГц. В результате исследований речи установлено, что вполне удовлетворительное качество речи сохраняется при ограничении спектра частотами от 300 Гц до 3400 Гц. Эти частоты приняты международными и национальными организациями стандартизации в области связи в качестве границ эффективного спектра сигналов речи.

Рис. 4.7  Энергетический спектр речевого сигнала: ____ русская речь, _ _ _английская речь

Системы связи, ориентированные на передачу сигналов речи, должны обеспечивать необходимое качество их передачи, определяемые уровнем громкости, разборчивости, естественным звучанием голоса, низким уровнем помех. Системы радиосвязи и телефонные сети, предназначенные для передачи звуковых сообщений, также должны учитывать следующие характеристики сигналов речи.

Средняя мощность сигнала речи, подаваемого на вход системы связи, должна быть определена техническими характеристиками данной системы. Кроме средней мощности при передаче речи различают также мощность на интервале активности (мощность сигнала в фазе разговора) и пороговую мощность (мощность сигнала на интервале пауз).

Коэффициент активности телефонного сообщения определяется отношением суммарного времени, в течение которого мощность сигнала одного из абонентов превышает пороговое значение, к общему времени разговора. Полагают, что каждый из собеседников при разговоре занимает приблизительно 50% времени, а также учитывают, что отдельные слова и фразы разделяются паузами. В результате, коэффициент активности речевого сигнала принимают равным 0,25…0,35.

Динамический диапазон сигнала речи - отношение максимального значения мгновенной мощности сигнала Р_MAX к минимальному значению мгновенной мощности Р_MIN, или в логарифмических единицах измерения

D - = 10 lg(Р_MAX / Р_MIN), [дБ].    (4.14)

В выражении (4.14) за величину Р_MAX принимают такое значение мощности сигнала, которое может быть превышено лишь в течение 2% общего времени передачи; а за величину Р_MIN принимают такое значение мощности сигнала, которое должно быть превышено в течение 98% общего времени.

В программах звукового вещания сигналы переносят информацию, содержащуюся не только в звуках речи, но и музыкальных инструментов и других источников звука. Возрастание количества переносимой информации сопровождается изменением характеристик систем связи. Качество передаваемых сигналов звукового вещания определяется классом канала вещания. Например, диапазон частот, переносимый сигналами вещания первого класса, ограничивается частотами 0,05…10,0 кГц (достаточно высокое качество). Лучшие характеристики передачи сигналов обеспечивает канал высшего качества (0,03…15,0 кГц).

Динамический диапазон сигналов передачи программ звукового вещания: речь диктора - 25…35 дБ; художественное чтение - 40…50 дБ; вокальные и музыкальные инструменты - 45…55 дБ, симфонический оркестр - до 65 дБ.

В программах телевизионного вещания к звуковым сообщениям добавляются оптические сообщения, а также дополнительная информация, необходимая для согласованной работы передающего и приемного устройств. Более подробно сигналы телевизионного вещания будут рассмотрены в последующих разделах. Здесь отметим лишь основные характеристики сигналов телевизионного вещания.

Стандарты телевизионного вещания в разных странах могут быть разными. В нашей стране для передачи сигналов черно-белого изображения используется диапазон частот от 0 до 6 МГц. Передачу сигналов цветности осуществляют в том же частотном диапазоне, что и сигналов черно-белого изображения. Цветное телевидение должно быть совместимым с черно-белым, то есть черно-белые передачи должны одинаково восприниматься на цветных и черно-белых приемниках. В то же время цветные передачи на черно-белых приемниках должны восприниматься как черно-белые передачи.

Сигналы звукового сопровождения занимают отдельную полосу частот в спектре телевизионного сигнала. Динамический диапазон телевизионного сигнала составляет приблизительно 40 дБ.