Основи телеграфного зв’язку та передачі даних

Державний комітет зв’язку та інформатизації УКРАЇНИ

Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій

КАФЕДРА________Телекомунікаційних__ систем_______________

ЗАТВЕРДЖУЮ

Завідуючий кафедрою

_______________ Беркман Л.Н.___

   (підпис, прізвище)

“ ____ “ _____________ 2009 року

Лекція № 7

з навчальної дисципліни "Введення до спеціальності"

напряму підготовки _______телекомунікації________________________

освітньо-кваліфікаційного рівня _____бакалавр______________________

Тема _________Автоматичний електрозв’язок________

                                (повна назва лекції)

Лекцію розроблено ст. викл. Коршун Н. В.

(вчена ступінь та звання, прізвище та ініціали автора)

Обговорено на засіданні кафедри (ПМК)

Протокол № __________

“ ____ “ _____________ 2009 року

Київ

Навчальні цілі. Ознайомлення студентів з основами телефонного та телеграфного зв’язку. Поняття про комутацію.

Час - 90 хв.

ПЛАН ПРОВЕДЕННЯ ЛЕКЦІЇ ТА РОЗРАХУНОК ЧАСУ

Загальні положення______________________________________________-_5__ хвилин

Навчальні питання

1. Фізичні основи телефонного зв’язку - 20 хвилин

2. Апаратура передавання мови – 20 хвилин

3. Поняття про комутацію – 20 хвилин

4. Основи телеграфного зв’язку та передачі даних – 20 хвилин

Висновок_____________________________________________-5__ хвилин

ЛІТЕРАТУРА:

(рекомендована для студентів)

1. В. Г. Дурнев, А. Ф. Зеневич, Б. И. Крук, В. П. Кубанов, В. В. Романов, В. И. Иванов. Электросвязь. Введение в специальность. – М.: Радио и связь, 1988.

Текст ЛЕКЦІЇ

Фізичні основи телефонного зв'язку

Телефонний зв'язок призначений для двосторонньої передачі на відстань людського голосу (мови) за допомогою електричних сигналів, забезпечуючи тим самим можливість ведення переговорів.

       Рисунок 7.1 – Спектри коливань:1 – первинний звук, 2 - зформований звук

Мова, як відомо, є звуковим повідомленням, що створюється голосовим апаратом і сприймається органами слуху людини. Звуки мови народжуються в мовному апараті людини при виході потоку повітря з легенів через особливу щілину, утворювану голосовими зв'язками. Вібруючі з певною частотою, голосові зв'язки періодично перекривають щілину, і повітря через неї проходить імпульсами, утворюючи звукові коливання, що розповсюджуються в повітрі. Частота цих коливань для кожної людини визначена і незмінна. Вона визначає основний тон голосу людини. Якщо частота лежить в межах 80 ... 320 Гц, то такий голос ми називаємо басом, якщо в межах 100 ... 400 Гц — баритоном, а якщо в межах 250 ... 1200 Гц — сопрано і т.д. Проте в утворенні звуку бере участь не тільки основна частота, але і величезна кількість її гармонік, що займають досить широку смугу частот. Сукупність всіх частот, створюючих звуки, прийнято називати спектром частот звукових коливань.

Після голосової щілини імпульси повітряних потоків, що представляють так званий первинний звук, проходять через систему резонаторів, утворюваних положенням язика, зубів і губ в порожнині рота і носоглотки в процесі вимовлення звуків. При цьому відбувається зміна параметрів гармонічних складових, зокрема амплітуда одних посилюється, інших ослабляється.

На рис. 7.1 показані спектри первинного і сформованого резонаторами звуку. Як видно, деякі частотні складові звуку посилені, а інші ослаблені. Посилені області спектру частот, виділені кружечками, називаються формантами. Звуки мови різних людей відрізняються числом формант і їх розташованням в частотному спектрі. Окремі звуки можуть мати до шести формант, з яких тільки одна або дві є визначаючими (основними). Вони обов'язково знаходяться в діапазоні частот 300 ... 3400 Гц, який називається діапазоном тональних частот. Між формантами лежать менш потужні складові звукових частот. Таким чином, коливання голосових зв'язок приводять до пружного коливання середовища — навколишнього повітря, сприйманому слуховим апаратом людини як звук. Мова як звукове повідомлення несе смислову і емоційну інформацію. Слуховим апаратом людини, що сприймає звук, як відомо, є вухо. Воно сприймає коливання повітряного середовища з частотами, що лежать в межах 20 ... 20000 Гц. Проте чутливість вуха до різних по частоті коливань різна. Найбільшу чутливість вухо має до частот, що лежать в межах 1000... 4000 Гц. Мінімальна потужність звуку, що сприймається вухом, називається порогом чутності. Потужність, при якій у вусі виникають больові відчуття, називається порогом больового відчуття. Вухо здатне змінювати свою чутливість до звуку залежно від потужності звукових коливань. При слабких звуках чутливість вуха висока, а при сильних — знижена. Отже, слуховий апарат людини має властивість адаптуватися до звукової обстановки.

Апаратура передавання мови

В системі телефонного зв'язку до апаратури передачі мови відносяться пристрої: перетворення звукових повідомлень в електричні сигнали, зворотного перетворення сигналів в звукові повідомлення і ряд допоміжних. У якості першого пристрою, який часто називається акусто-електричним перетворювачем, використовується мікрофон. У якості  другого пристрою, який називається електроакустичним перетворювачем, служить телефон. В системах телефонного зв'язку найбільше вживання мають вугільні мікрофони і електромагнітні телефони.

Вугільний мікрофон — перетворювач звукових коливань в електричні. Принцип його дії заснований на властивості вугільного порошку змінювати опір електричному струму залежно від його щільності, що змінюється під дією звукових коливань повітряного середовища. Пристрій вугільного мікрофону і схема його включення в електричний ланцюг показані на рис. 7.2. Основними елементами мікрофону є рухомий і нерухомий електроди, підключені до електричного ланцюга, і вугільний порошок, що заповнює простір між електродами.

Рисунок 7.2 – Вугольний мікрофон

Рухомий електрод жорстко зв'язаний з мембраною, що сприймає коливання навколишнього шару повітря. Елементи мікрофону поміщені в загальний корпус. Звукові коливання повітря призводять до відповідних коливань мембрани. Разом з мембраною коливається, горизонтально рухаючись, рухомий електрод, що змінює щільність вугільного порошку. При збільшенні щільності порошку його опір електричному струму зменшується, а при зменшенні — збільшується. Отже, струм в ланцюзі змінюватиметься прямо пропорційно до  зміни звукового тиску.

За відсутності звукових коливань мембрана знаходиться в стані спокою, опір порошку не змінюється, а в ланцюзі мікрофону протікає струм, що не змінюється. З появою звукових коливань, тобто початком зміни звукового тиску, струм починає змінюватися за законом зміни тиску.

Електромагнітний телефон є перетворювачем електричних коливань в звукові. Принцип дії його заснований на взаємодії магнітних потоків, створюваних постійним магнітом і електромагнітом. Під дією результуючого (сумарного) потоку мембрана телефону скоює коливальний рух, співпадаючий із змінами електричного струму, що надходить в обмотку електромагніту.

Основними елементами телефону (рис. 7.3) є: постійний магніт, електромагніт, що складається з двох обмоток з осердями, і мембрана. В телефонних апаратах застосовуються так звані капсульні телефони, які розміщуються в мікротелефонних трубках. Конструктивне виконання їх може бути різним.

Рисунок 7.3 – Електромагнітний телефон

У стані спокою, тобто за відсутності струму в обмотках електромагніту, мембрана притягнута до осердь під дією потоку, що створюється постійним магнітом, має невелике прогинання у бік осердь і нерухома. Поява змінного електричного струму в обмотках електромагніту створює в осерді додатковий змінний магнітний потік, що має напрям або співпадаючий, або протилежний напряму потоку, що створюється постійним магнітом. В результаті мембрана рухатиметься, відповідно зміні величини струму. Коливальні рухи мембрани періодично ущільнюють і розряджають оточуючий шар повітря і тим самим створюють коливальні рухи частинок повітря, що розповсюджуються і сприймаються вухом людини як звук.

До допоміжних пристроїв апаратури передачі мови відносяться пристрої виклику, призначені для прийому сигналів виклику: дзвінок, зумер, електролампа і ін. Допоміжним, але обов'язковим, є також пристрій для передачі адресної інформації, який називається номеронабирачем і створює серії імпульсів, що відповідають номеру абонента, що викликається.

Всі елементи апаратури передачі мови конструктивно об'єднуються в прилад, який називається телефонним апаратом. Структурна схема телефонного апарату приведена на рис. 7.4. Коли трубка телефонного апарату не знята, вона натискає своєю масою на важельний перемикач, тримаючи його в нижньому положенні, як показано на малюнку. При цьому до лінії підключений викликовий пристрій, який спрацьовує при появі сигналу виклику. При знятті трубки з апарату перемикач підіймається
вгору і підключає до лінії розмовні прилади і номеронабирач, готуючи апарат до
ведення переговорів.

Рисунок 7.4 – Структурна схема телефонного апарата

Комутація

Для ведення переговорів телефонні апарати ТА відповідних абонентів повинні бути електрично сполучені один з одним. Це з'єднання, як правило, проходить через декілька ділянок: абонентські та з’єднувальні лінії, один або декілька вузлових пунктів ВП мережі. Сукупність цих ділянок утворює з’єднувальний тракт. Число ділянок тракту залежить від відстані між абонентами і структури побудови мережі. Процес встановлення з'єднань між абонентами полягає в електричному з'єднанні (замиканні) певних вхідних і вихідних ліній зв'язку на вузлових пунктах мережі. Після закінчення переговорів відбувається розмикання ліній, внаслідок чого тракт розпадається на окремі ділянки.

Функції, які виконують ВП мережі в процесі організації і розпаду сполучних трактів, називаються комутацією. Таким чином комутацією каналів, або просто комутацією називається процес замикання, розмикання і перемикання електричних ланцюгів. Комутація здійснюється за допомогою комплексу спеціальних пристроїв, об'єднаних під загальною назвою телефонна станція комутації, або телефонна станція (ТС).

Комутація може здійснюватися людиною за допомогою певних пристосувань або спеціальними автоматичними пристроями. В першому випадку комутаційні станції називаються ручними, в другому — автоматичними. На автоматичних станціях процес комутації здійснюється під управлінням спеціальних управляючих пристроїв, що працюють від сигналів, що несуть адресну інформацію. Ці сигнали формуються викликаючим абонентом за допомогою номеронабирача.

Мережа, в якій з’єднувальні тракти спочатку створюються спеціально для кожної телефонної розмови, а після його закінчення розпадаються на ділянки, називається комутованою. Проте на мережі можуть бути абоненти, що мають постійні з’єднувальні тракти або тракти, організовані на певні проміжки часу за розкладом.

Незалежно від конструктивного виконання устаткування і ступеня автоматизації станції комутації мають одну і ту жструктурну схему, показану на рис. 7.5. Основним елементом устаткування станції є комутаційна система КС, яка безпосередньо виконує з'єднання вхідних і вихідних ліній на час розмови. Кожна вхідна або вихідна лінія має на станції індивідуальне устаткування, яке називається лінійним комплектом ЛК і забезпечує сигналізацію про надходження виклику, підключення абонентської лінії до інших елементів устаткування станції, трансляцію сигналів набору номера і ін. Роботою всіх елементів устаткування станції управляє управляючий пристрій УП. Управляючий пристрій може бути спеціалізованою ЕОМ або складатися з комплексу таких пристроїв як маркери, регістри, перелічувачі, приймачі і передавачі управляючих сигналів і ін.

Окрім основних елементів, показаних на малюнку, станції мають ряд допоміжних пристроїв, необхідних для роботи основних елементів. До них відносяться: пристрої введення і виведення, які називаються кросами, джерела електроживлення, прилади контролю, сигналізації, обліку і ін.

Рисунок 7.5 – Структурна схема станції комутації

Комутаційними приладами називаються пристрої, здатні стрибкоподібно змінювати провідність електричних ланцюгів. Розрізняють комутаційні прилади контактні і безконтактні. В контактних приладах провідність міняється шляхом замикання і розмикання контактів, включених в електричний ланцюг. В безконтактних приладах зміна провідності досягається зміною якого-небудь параметру (опору, індуктивності або ємності) одного з елементів електричного ланцюга.

Рисунок 7.6 – електромагнітні реле: а – з відкритими контактами; б – з герметизованими контактами; в - умовне позначення реле на схемах

В техніці телефонного зв'язку широко використовуються електромеханічні контактні комутаційні прилади. До них перш за все відносяться електромагнітні реле, шукачі і з'єднувачі. До безконтактних

комутаційних приладів відносяться різні електронні реле, з'єднувачі і інші пристрої.

Електромагнітне реле — це прилад, що має один вхід і один вихід, два стійкі стани і здатний стрибкоподібно переходити з одного стану в інший під дією сигналів, що надходять на вхід. В телефонній техніці застосовуються в основному електромагнітні реле постійного струму з відкритими і герметизованими контактами.

Реле з відкритими контактами (рис. 7.6, а) складається з обмотки з осердям, якоря з пружиною і контактів, укріплених на плоских пружинних пластинах. Входом реле є затиски обмотки, а виходом — затиски контактів.

За відсутності струму в обмотці, тобто в початковому стані, якір під дією пружини відтягнутий від осердя і контакти розімкнені. Відповідно розімкнений вихідний ланцюг. При появі струмового сигналу в обмотці якір притягується до осердя і, повертаючись на осі, другим плечем натискує на контактну пластину, замикаючи контакти вихідного ланцюга. Таким чином, контакти реле залежно від вхідного сигналу знаходитимуться в одному з двох станів: замкнутому або розімкненому. Реле можуть мати вихід, що містить декілька електричних ланцюгів, а також декілька контактних пар, що працюють на замикання, розмикання або перемикання.

Реле з контактами, що герметизуються (геркони), мають контактні пружини, повністю ізольовані від навколишнього середовища, оскільки поміщені в заповнений інертним газом скляний балон (рис. 7.6, б). Геркон поміщується всередині обмотки і корпусу, виконаного з магнітного матеріалу. За відсутності струму в обмотці контактні пластини під дією сил пружності відходять один від одного, розмикаючи вихідний ланцюг. При появі струму в обмотці магнітний потік, проходячи через контактні пружини, притягує їх одну до одної, замикаючи вихідний ланцюг.

Основи телеграфного зв’язку та передачі даних

Телеграфний зв'язок і передача даних, на відміну від інших видів електрозв'язку, призначені для передачі на відстань дискретних повідомлень, що мають, як правило, індивідуальне призначення. Дискретний характер повідомлень дозволяє використовувати в системах, що реалізовують ці види зв'язку, кодовий метод перетворення повідомлення в сигнал і назад. Сигнали в цих системах також мають дискретний характер. При цьому їх інформаційний параметр приймає, як правило, всього два значення. Ця обставина дозволяє використовувати для реалізації складних  дискретних систем зв'язку двійкові перемикаючі пристрої, відмінні простотою, стійкістю і довговічністю в роботі. Найпростішими двійковими перемикаючими пристроями є контакти або ключі, здатні знаходитися в одному з двох можливих стійких станів: замкнутому або розімкненому. Для управління станом контактів часто використовуються електромагнітні реле.

В дискретних системах зв'язку застосовуються також інші двійкові пристрої, відмінні за принципом роботи, можливостями і конструктивним виконанням.

Поняття про коди. Деякі документальні повідомлення є зображеннями, що складаються з окремих знаків. Наприклад, текстові повідомлення на будь-якій мові складаються з одного і того ж набору знаків: букв алфавіту і декількох розділових знаків. Дані, призначені для ЕОМ, є повідомленнями, що складаються з окремого набору цифр. Такі повідомлення, що складаються з кінцевого числа різних знаків, як відомо, називаються дискретними. Будь-які за об'ємом дискретні повідомлення є наперед відомим набором знаків, комбінованих певним чином. Ця обставина дозволяє значно спростити процес передачі і прийому подібних повідомлень. Оскільки всі можливі знаки повідомлень наперед відомі на обох кінцях системи електрозв'язку, то, очевидно, немає необхідності передавати на приймальну сторону самі знаки, а достатньо передати інформацію про те, який знак з цього набору потрібно використовувати в кожному випадку. Наприклад, якщо заздалегідь пронумерувати різні знаки повідомлення, то можна передавати замість знаків їх порядкові номери. Для цього всі можливі знаки повідомлень розташовують послідовно і нумерують. Якщо таблиці з нумерацією є на обох кінцях системи електрозв'язку, то від передавача до приймача достатньо передавати замість знаків їх порядкові номери. На приймальному кінці прийнятий порядковий номер дозволить визначити по таблиці відповідну букву. Таким чином, передача букв замінюється передачею їх умовних позначень, якими в даному випадку служать порядкові номери.

В сучасних дискретних видах зв'язку використовують, як правило, двійкове счислення.

Таким чином, знаки повідомлень при передачі замінюються їх умовними позначеннями, зокрема порядковими номерами, що є комбінаціями цифр 0 і 1. Ці комбінації прийнято називати кодовими комбінаціями, а окремі цифри, що входять в комбінації, — елементами комбінацій. Сукупність кодових комбінацій, замінюючих всі знаки повідомлення, складає телеграфний код, або просто код. Процес перетворення знаків повідомлення в кодові комбінації називається кодуванням.

Проте нумерація знаків повідомлень - не єдиний спосіб побудови кодів. На даний час розроблені і використовуються коди, що мають різні властивості і можливості. Вони відрізняються принципами побудови, кількістю різних елементів, з яких складаються комбінації, кількістю елементів в комбінаціях і кількістю можливих комбінацій.

Один з найвідоміших і найстаріших телеграфних кодів — код Морзе. Комбінації цього коду складаються з двох елементів, які прийнято називати «крапка» і «тире». Різні комбінації містять різну кількість двійкових елементів. Так, комбінація букви Е складається з одного елемента — «крапки», комбінація букви З — з трьох «крапок», букви Ш — з чотирьох «тире» і т.д. Такий код називається нерівномірним.

Набагато частіше в дискретних системах застосовуються коди, всі комбінації яких містять однакову кількість елементів. Такі коди називаються рівномірними. Рівномірні коди можуть бути побудовані з нерівномірних шляхом додавання якихось елементів до комбінацій, що мають меншу кількість елементів.

Кількість можливих комбінацій рівномірних кодів залежить від кількості елементів в кодових комбінаціях. Так, трьохелементних комбінацій може бути всього 8, чотирьохелементних — 16, п'ятиелементних — 32 і т.д.

Пристрої перетворення дискретних повідомлень в сигнали. Перетворення повідомлення в сигнал в будь-якій системі електрозв’язку  виконується передавачем. В дискретних системах, як наголошувалося, використовується умовний, або, як його часто називають, кодовий метод перетворення, при якому знаки повідомлення перетворяться в комбінацію двійкових імпульсів. Це перетворення відбувається в три етапи: перший етап — кодування; другий — розподіл елементів комбінації в часі; третій — послідовне перетворення елементів комбінації в електричні імпульси (посилки) і передача їх в канал. Процес перетворення знака повідомлення (букви Ф) в сигнал показаний на рис. 7.7.

Рисунок 7.7 – Послідовність перетворення знака повідомлення (букви Ф) в сигнал

В передавачах кожний етап перетворення виконується спеціальним пристроєм, тому передавачі дискретних систем мають три основних і ряд допоміжних елементів (рис. 7.8). Основними елементами передавачів є: кодуючий, розподільний і вихідний пристрої.

Рисунок 7.8 – Структурна схема предавача дискретної системи зв’язку

Кодуючий пристрій забезпечує перетворення знаків повідомлень в кодові комбінації (I етап). В нього вводиться знак, а з виходу знімається відповідна n-елементна комбінація (на малюнку n=5). Тому пристрій має n виходів. Кодуючі пристрої можуть бути реалізовані на різних елементах. В апаратурі застосовуються механічні і електронно-механічні кодуючі пристрої залежно від типу двійкових елементів, що використовуються для формування кодових комбінацій.

Елементи кодової комбінації одночасно (паралельно) подаються на входи розподільника, який забезпечує послідовну (почергову) подачу їх на вихідний пристрій (II етап).

Вихідний пристрій виконує послідовне перетворення елементів комбінації в електричні імпульси (III етап).

До допоміжних елементів передавачів відносяться пристрої: введення знаків, задаючий, управління і ін.

Пристрої перетворення сигналів в повідомлення. Перетворення сигналу в повідомлення виконується спеціальним пристроєм, який називається приймачем. В дискретних системах зв'язку приймачі перетворюють комбінації двійкових імпульсів в знаки повідомлення. Це перетворення проводиться в чотири етапи (рис. 7.9). На першому етапі відбувається послідовний поелементний прийом сигналу, внаслідок чого електричні імпульси перетворюються в елементи кодової комбінації. Другий етап пов'язаний із запам'ятовуванням і накопиченням елементів комбінації на спеціальних двійкових пристроях. Далі, на третьому етапі, ця комбінація декодується, тобто визначається знак, відповідний прийнятій комбінації. На четвертому етапі проводиться запис або друкування знака на папері.

Рисунок 7.9 – Послідовність перетворення дискретного сигналу в знак повідомоення

Кожний етап перетворення виконується своїм спеціальним пристроєм, тому приймачі дискретних систем мають чотири основних і декілька допоміжних елементів (рис. 7.10). Основними елементами приймачів є пристрої: вхідний, набірний, декодуючий і записуючий, які виконують відповідно чотири етапи перетворення.

Вхідний пристрій має один вхід і один вихід. На його вхід з каналу зв'язку послідовно надходять елементи сигналу — імпульси. Тут вони перетворюються в елементи кодової комбінації у вигляді просторового положення певного механічного пристрою або стану якого-небудь двійкового перемикаючого пристрою. 

Набірний пристрій має n виходів (на малюнку n = 5), по яких елементи комбінації одночасно (паралельно) подаються на декодуючий пристрій. Отже, декодуючий пристрій має n входів, а число виходів дорівнює числу можливих знаків. Проте кожного разу спрацьовує тільки один вихід, відповідний прийнятій комбінації і пов'язаний з пристроєм запису певного знака, тобто відбувається процес декодування. Це спрацьовування впливає на пристрій запису, який запише (віддрукує) прийнятий знак на папері.

Допоміжними елементами приймачів є розподільник, задаючий, управляючий і коригуючий пристрої. Розподільник виконує складну функцію, що полягає у визначенні моментів спрацьовування двійкових елементів набірного пристрою. Від того наскільки правильно вибраний цей момент, залежить правильність прийому повідомлення і стійкість роботи всього приймача. Вибір і встановлення оптимального моменту спрацьовування здійснюється за допомогою спеціального коригуючого пристрою, що дозволяє, зміщуючи в часі моменти спрацьовування відносно меж імпульсів, добитися найстійкішої роботи набірного пристрою. Швидкість роботи розподільника визначається задаючим пристроєм, а режим його роботи — управляючим пристроєм.

Рисунок 7. 10 – Структурна схема приймача дискретної системи зв’язку