Электрические сигналы обуславливают оптические свойства

Формы и характеристики электрических сигналов | РОБОТОША

Часто в электронных схемах требуется сгенерировать разные типы сигналов, имеющих различные частоты и формы, такие как меандры, прямоугольные, треугольные, пилообразные сигналы и различные импульсы.

Эти сигналы различной формы могут использоваться в качестве сигналов синхронизации, тактирующих сигналов или в качестве запускающих синхроимпульсов. В первую очередь необходимо понять основные характеристики, описывающие электрические сигналы.

С технической точки зрения, электрические сигналы являются визуальным представлением изменения напряжения или тока с течением времени.

 То есть, фактически — это график изменения напряжения и тока, где по горизонтальной оси мы откладываем время, а по вертикальной оси — значения напряжения или тока в этот момент времени.

Существует множество различных типов электрических сигналов, но в целом, все они могут быть разбиты на две основные группы.

• Однополярные сигналы – это электрические сигналы, которые всегда положительные или всегда отрицательные, не пересекающие горизонтальную ось. К однонаправленным сигналам относятся меандр, тактовые импульсы и запускающие импульсы.
• Двухполярные сигналы – эти электрические сигналы также называют чередующимися сигналами, так как они чередуют положительные значения с отрицательными, постоянно пересекая нулевое значение. Двухполярные сигналы имеют периодическое изменение знака своей амплитуды. Наиболее распространенным из двунаправленных сигналов, является синусоидальный.

Будучи однонаправленными, двунаправленными, симметричными, несимметричными, простыми или сложными, все электрические сигналы имеют три общие характеристики:

• Период — это отрезок времени, через который сигнал начинает повторяться. Это временное значение также называют временем периода для синусоид или шириной импульса для меандров и обозначают буквой T.
• Частота – это число раз, которое сигнал повторяет сам себя за период времени равный 1 секунде. Частота является величиной, обратной периоду времени, (). Единицей измерения частоты является Герц (Гц). Частотой в 1Гц, обладает сигнал, повторяющий 1 раз за 1 cекунду.
• Амплитуда — это величина изменения сигнала. Измеряется в Вольтах (В) или Амперах (А), в зависимости от того, какую временную зависимость (напряжения или тока) мы используем.

Периодические сигналы

Периодические сигналы являются самыми распространенными, поскольку включают в себя синусоиды. Переменный ток в розетке дома представляет из себя синусоиду, плавно изменяющуюся с течением времени с частотой 50Гц.

Время, которое проходит между отдельными повторениями цикла синусоиды называется ее периодом. Другими словами, это время, необходимое для того, чтобы сигнал начал повторяться.

Период может изменяться от долей секунды до тысяч секунд, так как он связан с его частотой. Например, синусоидальный сигнал, которому требуется 1 секунда для совершения полного цикла, имеет период равный одной секунде. Аналогично, для синусоидального сигнала, которому требуется  5 секунд для совершения полного цикла, имеет период равный 5 секундам, и так далее.

Итак, отрезок времени, который требуется для сигнала, чтобы завершить полный цикл своего изменения, прежде чем он вновь повторится, называется периодом сигнала и измеряется в секундах. Мы можем выразить сигнал в виде числа периодов T в секунду, как показано на рисунке ниже.

Синусоидальный сигнал

Время периода часто измеряется в секундах ( с ), миллисекундах (мс) и микросекундах (мкс).

Для синусоидальной формы волны, время периода сигнала также можно выражать в градусах, либо в радианах, учитывая, что один полный цикл равен 360° (Т = 360°), или, если в радианах, то(T =).

Период и частота математически являются обратными друг другу величинами. С уменьшением времени периода сигнала, его частота увеличивается и наоборот.

Соотношения между периодом сигнала и его частотой:

Гц

c

Один герц в точности равен одному циклу в секунду, но один герц является очень маленькой величиной, поэтому часто можно встретить префиксы, обозначающие порядок величины сигнала, такие как кГц, МГц, ГГц и даже ТГц

Префикс	Определение	Запись	Период
Кило	тысяча	кГц	1 мс
Мега	миллион	МГц	1 мкс
Гига	миллиард	ГГц	1 нс
Тера	триллион	ТГц	1 пс

Меандр

Меандры широко используются в электронных схемах для тактирования и сигналов синхронизации, так как они имеют симметричную прямоугольную форму волны с равной продолжительностью полупериодов. Практически все цифровые логические схемы используют сигналы в виде меандра на своих входах и выходах.

Так как форма меандра симметрична, и каждая половина цикла одинакова, то длительность положительной части импульса равна промежутку времени, когда импульс отрицателен (нулевой). Для меандров, используемых в качестве тактирующих сигналов в цифровых схемах, длительность положительного импульса называется временем заполнения периода.

Для меандра, время заполнения равно половине периода сигнала. Так как частота равна обратной величине периода, (1/T), то частота меандра:

Например, для сигнала с временем заполнения равным 10 мс, его частота равна:

Гц

Меандры используются в цифровых системах для представления уровня логической «1» большими значениями его амплитуды и уровня логического «0» маленькими значениями амплитуды.

Если время заполнения, не равно 50% от длительности его периода, то такой сигнал уже представялет более общий случай и называется прямоугольным сигналом. В случае,  или если время положительной части периода сигнала мало, то такой сигнал, является импульсом.

Прямоугольный сигнал

Прямоугольные сигналы отличаются от меандров тем, что длительности положительной и отрицательной частей периода не равны между собой. Прямоугольные сигналы поэтому классифицируются как несимметричные сигналы.

В данном случае я изобразил сигнал, принимающий только положительные значения, хотя, в общем случае, отрицательные значения сигнала могут быть значительно ниже нулевой отметки.

На изображенном примере, длительность положительного импульса больше, чем длительность отрицательного, хотя, это и не обязательно. Главное, чтобы форма сигнала была прямоугольной.

Отношение периода повторения сигнала, к длительности положительного импульса , называют скважностью:

Величину обратную скважности называют коэффициентом заполнения (duty cycle):

Прямоугольные сигналы могут использоваться для регулирования количества энергии, отдаваемой в нагрузку, такую, например, как лампа или двигатель, изменением скважности сигнала.

Чем выше коэффициент заполнения, тем больше среднее количество энергии должно быть отдано в  нагрузку, и, соответственно, меньший коэффициент заполнения, означает меньшее среднее количество энергии, отдаваемое в нагрузку.

 Отличным примером этого является использование широтно-импульсной модуляции в регуляторах скорости. Термин широтно-импульсная модуляция (ШИМ) буквально и означает «изменение ширины импульса».

Треугольные сигналы

Треугольные сигналы, как правило, это двунаправленные несинусоидальные сигналы, которые колеблются между положительным и отрицательным пиковыми значениями.

Треугольный сигнал представляет собой относительно медленно линейно растущее и падающее напряжение с постоянной частотой.

 Скорость, с которой напряжение изменяет свое направление равна для обоих половинок периода, как показано ниже.

Как правило, для треугольных сигналов, продолжительность роста сигнала, равна продолжительности его спада, давая тем самым 50% коэффициент заполнения. Задав амплитуду и частоту сигнала, мы можем определить среднее значение его амплитуды.

В случае несимметричной треугольной формы сигнала, которую мы можем получить изменением скорости роста и спада на различные величины, мы имеем еще один тип сигнала известный под названием пилообразный сигнал.

Пилообразный сигнал

Пилообразный сигнал — это еще один тип периодического сигнала. Как следует из названия, форма такого сигнала напоминает зубья пилы. Пилообразный сигнал может иметь зеркальное отражение самого себя, имея либо медленный рост, но очень крутой спад, или чрезвычайно крутой, почти вертикальный рост и медленный спад.

Пилообразный сигнал с медленным ростом является более распространенным из двух типов сигналов, являющийся, практически, идеально линейным.

Пилообразный сигнал генерируется большинством функциональных генераторов и состоит из основной частоты (f) и четных гармоник.

Это означает, с практической точки зрения, что он богат гармониками, и в случае, например, с музыкальными синтезаторами, для музыкантов дает качественный звук без искажений.

Импульсы и запускающие сигналы (триггеры)

Хотя, технически, запускающие сигналы и импульсы два отдельных типа сигналов, но отличия между ними незначительны. Запускающий сигнал — это всего лишь очень узкий импульс. Разница в том, что триггер может быть как положительной, так и отрицательной полярности, тогда как импульс только положительным.

Форма импульса, или серии импульсов, как их чаще называют, является одним из видов несинусоидальной формы сигналов, похожей на прямоугольный сигнал.

Разница в том, что импульсный сигнал определяется часто только коэффициентом заполнения.

Для запускающего сигнала положительная часть сигнала очень короткая с резкими ростом и спадом и ее длительностью, по сравнению с периодом, можно пренебречь.

Очень короткие импульсы и запускающие сигналы предназначены для управления моментами времени, в которые происходят, например, запуск таймера, счетчика, переключение логических триггеров а также для управления тиристорами, симисторами и другими силовыми полупроводниковыми приборами.

Я рассмотрел здесь только основные виды электрических сигналов. Остальные типы сигналов, обычно, получают их комбинацией или модуляцией (изменением параметров, используя другой сигнал), например: 

• Амплитудно-модулированный сигнал
• Частотно-модулированный сигнал
• Фазо-модулированный сигнал
• Фазо-частотно-модулированный сигнал
• Фазо-кодо-манипулированный сигнал

Подробно я вернусь к ним в своих последующих публикациях.

Источник: http://robotosha.ru/electronics/electrical-waveforms.html

Волоконно-оптические линии связи

Волоконно-оптические линии связи – это вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием “оптическое волокно”. Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации,

а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам.

Структура кабеля:

1. Осевой элемент:
   – стальной канат (стренга, проволока) в полимерном покрытии;
   – стеклопластиковый пруток в полимерном покрытии или без
2. Оптические волокна
3. Оптические модули
4. Внутримодульный гидрофобный заполнитель
5. Гидроизоляция сердечника
   – гидрофобный заполнитель или водоблокирующие элементы
6. Промежуточная оболочка
   – полиэтилен (отсутствует в ИКБЛ…)
7. Гидроизоляция бронирующего слоя
   – гидрофобный заполнитель или водоблокирующие элементы
8. Броня из круглых стальных оцинкованных проволок
9. Защитная оболочка
   – полиэтилен или полимер, не распространяющий горение (ИКБН…)

1.1 Физические особенности.1. Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей (Fo=10**14 Гц). Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 10**12 бит/с или Терабит/с. Говоря другими словами, по одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов.

Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи.

На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут.2. Очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0.22 дБ/км на длине волны 1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов.

Для сравнения, лучшее волокно Sumitomo на длине волны 1.55 мкм имеет затухание 0.154 дБ/км. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более “прозрачные”, так называемые фторцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны 2.5 мкм.

Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с.1.2 Технические особенности.1.Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди.2.

Оптические волокна имеют диаметр около 100 мкм., то есть очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике.3. Стеклянные волокна – не металл, при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов.

Применяя особо прочный пластик, на кабельных заводах изготавливают самонесущие подвесные кабели, не содержащие металла и тем самым безопасные в электрическом отношении. Такие кабели можно монтировать на мачтах существующих линий электропередач, как отдельно, так и встроенные в фазовый провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля через реки и другие преграды.4.

Системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптические линии связи нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии.

Теоретически существуют способы обойти защиту путем мониторинга, но затраты на реализацию этих способов будут столь велики, что превзойдут стоимость перехваченной информации.Существует способ скрытой передачи информации по оптическим линиям связи. При скрытой передаче сигнал от источника излучения модулируется не по амплитуде, как в обычных системах, а по фазе.

Затем сигнал смешивается с самим собой, задержанным на некоторое время, большее, чем время когерентности источника излучения.При таком способе передачи информация не может быть перехвачена амплитудным приемником излучения, так как он зарегистрирует лишь сигнал постоянной интенсивности.

Для обнаружения перехватываемого сигнала понадобится перестраиваемый интерферометр Майкельсона специальной конструкции. Причем, видность интерференционной картины может быть ослаблена как 1:2N, где N – количество сигналов, одновременно передаваемых по оптической системе связи.

Можно распределить передаваемую информацию по множеству сигналов или передавать несколько шумовых сигналов, ухудшая этим условия перехвата информации. Потребуется значительный отбор мощности из волокна, чтобы несанкционированно принять оптический сигнал, а это вмешательство легко зарегистрировать системами мониторинга.5.Важное свойство оптического волокна – долговечность.

Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить оптико-волоконный кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие.Есть в волоконной технологии и свои недостатки:1.

При создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы. Необходимы также оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии связи должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.2. Другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование.3. Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.

Преимущества от применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) настолько значительны, что несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи информации.

Преимущества ВОЛС

Передача информации по ВОЛС имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю. Стремительное внедрение в информационные сети Волс является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне.

Широкая полоса пропускания – обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 1014Гц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания – это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации.

Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более.

Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи различной модуляции сигналов с малой ибыточностью кода.

Высокая помехозащищенность.

Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.

Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность.

Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см, может быть заменен одним волокном с диаметром 0,1 см.

Если волокно “одеть” в множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого ВОК будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.

Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи.

Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности оптической линии связи, используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновенно отключить “взламываемый” канал связи и подать сигнал тревоги.

Сенсорные системы, использующие интерференционные эффекты распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации) имеют очень высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления.

Такие системы особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.

Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве.

Волокно помогает избежать электрических “земельных” петель, которые могут возникать, когда два сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным кабелем, имеют заземления в разных точках здания, например на разных этажах.

При этом может возникнуть большая разность потенциалов, что способно повредить сетевое оборудование. Для волокна этой проблемы просто нет.

Взрыво- и пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.

Экономичность ВОК. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличии от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5.

При этом ВОК позволяет передавать сигналы на значительно большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на протяженных линиях сокращается при использовании ВОК.

При использовании солитонных систем передачи достигнуты дальности в 4000 км без регенерации (то есть только с использованием оптических усилителей на промежуточных узлах) при скорости передачи выше 10 Гбит/с.

Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию. Это означает, что затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает.

Однако, благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен, и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет.

За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо-передающих систем.

Удаленное электропитание. В некоторых случаях требуется удаленное электропитание узла информационной сети. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля. Однако, в этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медным проводящим элементом. Такой кабель широко используется как в России, так и за рубежом.

Источник: http://shemu.ru/lessons/33

Волоконно-оптические линии связи

Источник: https://infopedia.su/4x4ab5.html

Open Library – открытая библиотека учебной информации

Согласно определœению, принятым в теории информации, сигнал есть материальный носитель информации, он отображает передаваемое сообщение. В системах связи сигнал представляет собой процесс изменения во времени и в пространстве некоторой физической величины, характеризующей передаваемое сообщение.

К примеру, при разговоре переносчиком информации является звуковое поле; изменение звукового давления, характеризующее передаваемое сообщение, является в этом случае сигналом.

Выбор электрических сигналов для переноса сообщений на расстояние обусловлен тем, что скорость их распространения соизмерима со скоростью света 3*108 м/с.

В электросвязи сигнал – ϶ᴛᴏ электромагнитный процесс, параметры которого изменяются в соответствии с передаваемым сообщением. Электрические сигналы, как и сообщения, бывают непрерывными и дискретными.

Отличие непрерывного сигнала от дискретного состоит по сути в том, что информационный параметр непрерывного сигнала, к примеру напряжение, ток, напряженность электрического и магнитного поля, с течением времени может принимать любые мгновенные значения в определœенных пределах. Непрерывный сигнал еще называют аналоговым. Дискретный сигнал характеризуется конечным числом значений информационного параметра. Часто он принимает всœего два значения (два состояния), ᴛ.ᴇ. дискретный сигнал состоит из двух разных элементов – импульсов (пауза рассматривается как «бестоковый импульс»).

Всякий сигнал представляет собой изменяющуюся по времени электрическую величину, а значит, может быть выражен некоторой функцией времени. Наиболее простым является сигнал, изменяющийся по закону синуса – синусоидальный, гармонический.

Наиболее широко распространены синусоидаль­ные сигналы, представляющие собой изменяющееся во времени напряжение U по закону синуса, (рисунок 2.1), ᴛ.ᴇ. U = Umsin2πft, где Um – амплитудное значение напряжения; f – частота сигнала; t – время.

Отметим, что часто используется обозначение ω = 2πf, пред­ставляющее угловую частоту сигнала.

(1/ω)

Рисунок 2.1

Синусоидальный сигнал является носителœем ин­формации для многих физических процессов и сво­йств линœейных цепей. В случае если на входе линœейной цепи действует синусоидальный сигнал, то на ее выходе тоже синусоидальный сигнал, но его амплитуда и фаза бывают уже иными. Это справедливо только для синусоидального сигнала. Синусоидальный сигнал относится к аналоговому.

Импульсные сигналы бывают представлены одиночными импульсами и их сериями, а также переменным прямоугольным напря­жением (меандром), показанным на рисунке 2.2. Для такого прямоугольного сигнала эффективное значение равно его амплитуде.

Форма же реального прямо­угольного сигнала всœегда отличается от идеального прямоугольника.

Обычно нарастание (спад) напряжения происходит не мгновенно, а за определœенный промежуток времени (фронта импульса), который определяется различными инœерционными процессами в электронных цепях и устройствах.

Рисунок 2.2

Прямоугольные импульсы и перепады напряжения широко используются в цифровой электронике, в цифровой связи.

Реальные сигналы электросвязи сложны, но их можно представить как совокупность ряда гармонических составляющих. Совокупность составляющих, соответствующих одному сигналу, принято называть спектром этого сигнала.

Интервал частот, охватывающий всœе составляющие сигнала, принято называть шириной спектра сигнала. Чем сильнее форма сигнала отличается от синусоиды, тем больше составляющих содержит его спектр и тем он шире.

В системе электросвязи важную роль играют первичные преобразователи, превращающие сообщения источника в электрические сигналы.

Для описания сигналов пользуются понятием энергетического спектра и некоторыми числовыми характеристиками, такими как:

– полоса частот, необходимая для передачи сигнала с допустимыми искажениями, ∆f (эффективная полоса).

– мощность сигнала (пиковая или максимальная Рмакс, средняя Рср и минимальная Рмин).

Мощность сигналов электросвязи во времени непостоянна, в связи с этим берут среднее значение.

Средняя мощность сигнала Рср определяется путем усреднения результатов измерений мощности за большой промежуток времени, к примеру за 1час.

Для оценки числовых значений мощностей сигналов электросвязи в различных точках канала и оценки соотношений между этими значениями в технике связи используются уровни передачи, выражающиеся в децибелах.

Абсолютный уровень мощности (дБм) в данной точке х канала определяет сравнение этой мощности Рх с мощностью 1мВт:

р= 10 lg(Рх /1мВт) = 10 lg Рх (мВт)

Относительный уровень передачи равен разности абсолютных уровней мощности в данной точке канала и в точке, принятой за точку сравнения.

В качестве энергетических характеристик сигналов часто используют понятия динамического диапазона

Динамический диапазон сигнала дает представление о возможном разбросœе мощностей сигнала в одной и той же точке канала.

Очень важной величиной, которая используется как в волоконной оптике, так и в электронике для выражения усиления или затухания в системе в целом или в ее компонентах, является децибел (дБ). Эту величину ввел Александр Грэхем Белл. Единица стала называться «бел».

Одна десятичная бела принято называть децибел (дБ). Он ввел ее для измерения силы звука. Эта единица измерения используется в настоящее время в качестве основы для измерений относительных уровней мощностей, напряжений и других физических величин.

Основные уравнения, определяющие децибел, следующие:

dBU=20log10(U1/U2); dBI=20log10(I1/I2); dBP=10log10(P1/P2),

где U – напряжение, I – ток и P – мощность.

Децибел, таким образом, характеризует отношение двух напряжений, токов или мощностей.

Таблица 1.1. Ширина спектров сигналов электросвязи

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) представляют собой системы для передачи световых сигналов микроволнового диапазона волн. Этот вид линий связи рассматривается как наиболее перспективный. Достоинствами ВОЛС являются низкие потери, большая пропускная способность, малые масса и габаритные размеры, экономия цветных металлов, высокая степень защищенности от внешних и взаимных помех. Волоконно-оптические линии передачи данных состоят из трех основных компонентов: источника света, носителя, по которому распространяется световой сигнал, и приемника сигнала. Основным элементом оптических кабелей является оптическое волокно (световод), выполненное в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы, по которому передаются световые сигналы. Оптическое волокно имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления n1 и n2 соответственно. Сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии. Назначение оболочки – создание условий полного отражения на границе «сердцевина–оболочка» и защита от световых помех из окружающего пространства. Принцип действия волоконного световода основан на использовании процессов отражения и преломления оптической волны на границе раздела двух сред с различными оптическими свойствами (показателями преломления). При падении луча на границу раздела двух сред в общем случае появляются преломленная и отраженная волны. Угол падения φп всегда равен углу отражения φотр. Угол преломления φпр связан с углом падения следующим соотношением: n1 sin(φп) = n2 sin(φпр), где n1и n2показатели преломления двух сред. В случае если n1 > n2, то из формулы следует, что φпр > φп (рис. 1.1). При увеличении угла падения на границу двух сред со стороны более плотной, можно достичь состояния, когда преломленный луч будет скользить по границе раздела сред без перехода в оптически менее плотную среду. Рис. 1.1 Угол падения, при котором наблюдается такой эффект, называется предельным углом полного внутреннего отражения. Для всех углов падения, которые превышают предельный, луч не выйдет за границу раздела двух сред. Это явление называется полным внутренним отражением, оно и положено в основу передачи оптического излучения по световоду. Сердцевина волокна, как правило, состоит из кварца, а оболочка может быть кварцевая или полимерная. Первое волокно называется кварц–кварц, а второе кварц–полимер (кремний-органический компаунд). Исходя из физико-оптических характеристик предпочтение отдается первому варианту. Кварцевое стекло имеет показатель преломления 1.46. Снаружи световода располагается защитное покрытие для предохранения его от механических воздействий. Различают одномодовые (средний рисунок) и многомодовые (верхний и нижний рисунок) оптические волокна (рис.1.2) [1]. Понятие «мода» описывает режим распространения световых лучей во внутреннем сердечнике кабеля. Читайте также:  Регулируемый стабилизатор постоянного тока Рис. 1.2 Одномодовое оптоволокно имеет диаметр сердцевины a ~ 5…10 мкм. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника. Полоса пропускания такого кабеля составляет до сотен гигагерц на километр. Технологический процесс его изготовления сложен, что делает его достаточно дорогим. Кроме того, в волокно такого маленького диаметра сложно направить пучок света без потерь энергии. С увеличением диаметра сердцевины оптоволокна появляется много возможных путей (мод) распространения излучения. В многомодовых кабелях используются внутренние сердечники большего диаметра, которые легче изготовить технологически. В стандартах определены два наиболее употребительных многомодовых кабеля: 62.5/125 мкм и 50/125 мкм, где 125 мкм – диаметр внешнего проводника. В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения называют модой луча. В многомодовых кабелях с плавным изменением коэффициента преломления режим распространения каждой моды имеет сложный характер. Многомодовые кабели имеют более узкую полосу пропускания – от 500 до 800 МГц/км. Сужение полосы происходит из-за потерь световой энергии при отражениях, а также из-за интерференции лучей разных мод. В свою очередь, многомодовые волокна выполняются ступенчатыми и градиентными. У ступенчатых световодов показатель преломления сердцевины постоянен, и имеется резкий скачок оптической плотности на границе раздела сердцевина – оболочка. У градиентных световодов показатель преломления сердцевины плавно уменьшается от центра к периферии и различные лучи распространяются в них по волнообразным траекториям. Пропускная способность оптоволоконных линий связи. При передаче информации по оптоволоконной линии связи сигнал, как правило, преобразуется из электрического в оптический, затем передается по оптоволокну в виде света и в конце линии связи вновь преобразуется в электрический сигнал. Сегодняшний предел пропускной способности в 10 Гбит/с обусловлен невозможностью преобразования электрических сигналов в оптические и обратно. Оптическое волокно изготавливается из стекла, которое, в свою очередь, производится из песка – недорогого материала, доступного в неограниченных количествах. Ослабление силы света при прохождении через стекло зависит от длины волны. В телекоммуникационных системах используются три диапазона длин волн: 0.85, 1.30, 1.55 мкм. Последние два обладают хорошими характеристиками ослабления (менее 5 % потерь на километр). Диапазон 0. 85 мкм обладает более высоким ослаблением, но для этой длины волны источники света (лазеры) и электроника могут быть сделаны из одного материала (арсенида галлия). Полоса пропускания или пропускная способность оптоволоконной линии связи зависит от многих факторов. В основном это: • полоса пропускания (длительность фронта/среза светового импульса) электронно-оптического преобразователя на входе линии; • длина волны и ширина спектральной линии оптического излучателя; • тип и свойства применяемого оптического волокна; • полоса пропускания опто-электронного преобразователя на выходе линии. В качестве преобразователей электрического сигнала в оптический в настоящее время используют светодиоды и лазерные диоды. Время нарастания-спада светового излучения составляет у светодиодов 1…20 нc, а у лазерных диодов – 0.5…2 нc. Более существенны различия в спектральных характеристиках излучателей. Ширина спектра: рис. 3.1, а – у светодиода по уровню 0.5 составляет 30…50 нм; б – у лазерных диодов 0.1…2 нм; в – у одномодового лазера 0.1…0.4 нм. Рис. 1.3 Основным фактором, ограничивающим пропускную способность опто- волокна, при больших длинах линий является дисперсия. Дисперсия – это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала при распространении его по оптоволокну. Это приводит к тому, что при распространении по линии связи энергия сигнала размывается по времени. Длительность сигнала увеличивается, а амплитуда падает. «Межмодовая» составляющая дисперсии объясняется тем, что поступающий в линию световой сигнал распространяется по волокну разными путями (модами) и время распространения его по этим путям различно (рис. 1.4). Типичные значения межмодовой дисперсии составляют для ступенчатого оптоволокна 30…50 нс/км, а для градиентного волокна 2…4 нс/км. В одномодовом оптоволокне существует только одна мода распространения сигнала, и модовая составляющая дисперсии отсутствует. Естественно, что с увеличением длины линии связи дисперсия увеличивается. Рис. 1.4 Спектральная составляющая дисперсии обусловлена зависимостью коэффициента преломления сердцевины от длины волны излучения, точнее от ширины спектра излучения. С уменьшением ширины спектральной линии излучения уменьшается и спектральная составляющая дисперсии. Дисперсия приводит к расширению длительности импульсов при прохождении по оптоволокну (вплоть до перекрытия) и уменьшению полосы пропускания линии. По частотно-пропускной способности и дальности передачи лучшими являются одномодовые световоды, а худшими – многомодовые ступенчатые. Реальные значения полосы пропускания оптоволоконных линий связи на одномодовом волокне составляют ~4000 МГц/км. Т. е. линия связи длиной 100 км будет иметь полосу пропускания ~40 МГц. Полоса пропускания линий на многомодовом градиентном волокне имеет значение около 500…1500 МГц/км. Стоимость одномодовых линий и компонентов значительно выше стоимости многомодовых линий связи. Электрические линии связи Одним первых и до сих пор часто применяемых кабелей является витая пара. Состоит из двух скрученных изолированных медных проводов. Скрутка позволяет уменьшить электромагнитное взаимодействие нескольких расположенных рядом витых пар. Кабели на основе неэкранированной витой пары.Медный неэкранированный кабель UTP (Unshielded Twisted Pair) в зависимости от электрических и механических характеристик разделяется на 7 категорий: Кабели категории 1 применяются там, где требования к скорости передачи данных минимальны. Обычно это кабель для цифровой или аналоговой передачи голоса и низкоскоростной (до 20 Кбит/с) передачи данных. До 1983 г. это был основной тип кабеля для телефонной разводки. Кабели категории 2 были впервые применены фирмой IBM при построении собственной кабельной системы. Главное требование к кабелям этой категории – способность передавать сигналы со спектром до 1 МГц. Кабели категории 3 были стандартизованы в 1991 г., когда был разработан стандарт EIA-568, определивший характеристики кабелей в диапазоне до 16 МГц. Он предназначен как для передачи данных, так и для передачи голоса. Шаг скрутки проводов составляет примерно 3 витка на фут. Кабели категории 4 обязаны выдерживать тесты на частоте передачи сигнала 20 МГц и обеспечивать повышенную помехоустойчивость и низкие потери сигнала. Кабели категории 5 были специально разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов, поэтому их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. (Волновое сопротивление кабеля равно 100 Ом.) Все кабели UTP независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки. Обычно две пары предназначены для передачи данных, а две – для передачи голоса. Для соединения кабелей с оборудованием используются вилки и розетки RJ-45, представляющие собой 8-контактные разъемы. С недавнего времени выпускают кабели категорий 6 и 7. Для кабеля категории 6 характеристики определяются до частоты 200 МГц, а для кабелей категории 7 – до 600 МГц. Кабели категории 7 обязательно экранируются, причем как каждая пара, так и весь кабель в целом. Кабель категории 6 может быть как экранированным, так и неэкранированным. Коаксиальный кабель имеет несимметричную конструкцию и состоит из внутренней медной жилы и оплетки. Он лучше экранирован, чем витая пара, и может обеспечить передачу данных на более дальние расстояния с более высокими скоростями. Современные кабели имеют полосу пропускания около 1 ГГц. Коаксиальные кабели с волновым сопротивлением 50 Ом описаны в стандарте EIA/TIA-568: «Толстый» коаксиальный кабель RG-8 и RG-11 имеет волновое сопротивление 50 Ом и внешний диаметр 0.5 дюйма; внутренний проводник диаметром 2.17 мм обеспечивает хорошие механические и электрические характеристики. «Тонкий» коаксиальный кабель (RG-58/U, RG-58 A/U и RG-58 C/U) имеет внутренний проводник диаметром 0.89 мм, что увеличивает его гибкость и упрощает монтаж. Затухание в кабелях этого типа выше, чем в «толстом», поэтому приходится уменьшать длину кабеля для получения одинакового затухания в сегменте. Телевизионный кабель RG-59 с волновым сопротивлением 75 Ом широко применяется в кабельном телевидении. 
Вид сигнала	Ширина спектра, Гц
Телœеграфный	0…100
Передачи данных со скоростью 2400 Бод	0…2400
Телœефонный	300… 3400
Звукового вещания	50.. .10 000
Факсимильный: – при скорости 120 мин-1 – при передаче газет	0…1465 0…180 000
Телœевизионный	50…6 000 000

*

Телœефонные (речевые) сигналы. Звуки представляют собой сложные звуковые колебания. Спектр звуков речи содержит колебания с частотами от 70-80 до 8000-20000 Гц.

При этом основная мощность речевых сигналов сосредоточена в полосœе частот от 150 до 1500-2000 Гц. В результате действия резонирующих полостей рта и носа в спектре звуков создаются области повышенной интенсивности, называемые формантами.

Большая часть формантных областей расположена в диапазоне частот от 300 до 3000 ГЦ.

Экспериментальные исследования показали, что удовлетворительное качество речи получается в полосœе частот от 250-300 до 3300-3500 Гц. По этой причине полоса частот 300-3400 Гц получила название стандартного канала тональной частоты.

Сигналы звукового вещания. Источниками звука при передаче программ вещания являются музыкальные инструменты или голос человека. Формирование сигналов звукового вещания и их прием осуществляется также как и у телœефонных 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 может быть ограничена.

Для достаточно высокого качества полоса частот должна быть 50…10 000 Гц, для безукоризненного воспроизведения– 30…15 000 Гц.

Факсимильные сигналы. При чтении наши глаза скользят по строке слева направо, затем переходят к началу другой строки и т.д. до конца страницы. Словом мы «просматриваете» всœе 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, 0,2×0,2 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. 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.

Телœевизионные 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 всœе неподвижное изображение, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ 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. Яс­но, что ни одно механическое устройство не способно перемещать световое пятно и фотоэлемент по строкам изображения с такой ско­ростью.

Что же заставляет светящуюся точку перемещаться с такой голо­вокружительной быстротой? Электронный луч.

В системах цветного телœевидения передаваемое изображение расчленяется с помощью светофильтров на три одноцветных изо­бражения – красное, зелœеное и синœее. Красные, зелœеные и синие лучи попадают каждый на свою телœевизионную трубку. В приемном уст­ройстве путем сложения трех одноцветных изображений воспроизво­дится передаваемое цветное изображение.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, спектр телœевизионного сигнала простирается от 50 Гц до 6,5 мГц.

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

Устройства преобразования телœеграфных сообщений и данных в электрический сигнал представляют каждый знак сообщения (букву, цифру) в виде определœенной комбинации импульсов и пауз одинако­вой длительности. Импульс соответствует наличию тока на выходе устройства преобразования (к примеру, телœеграфного аппарата), пау­за – отсутствию тока.

В телœеграфии таблица, которая ставит в соответствие буквам, цифрам и другим знакам комбинации импульсов и пауз, принято называть телœеграфным кодом.

В случае если обозначить импульс через 1, а паузу че­рез 0 и воспользоваться международным телœеграфным кодом МТК-2, то можно, к примеру, 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 телœеграфии 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.

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

Модуляция и демодуляция.Как известно, у аналогового сигнала есть основные параметры, такие, как частота͵ амплитуда и фаза. Бегущие по телœефонной линии волны могут отличаться друг от друга по любому из этих параметров или даже по двум сразу.

Процесс преобразова­ния первичного сигнала заключается в изменении одного или не­скольких параметров несущего колебания по закону изменения пер­вичного сигнала (ᴛ.ᴇ. в наделœении несущего колебания признаками первичного сигнала) и принято называть модуляцией.

Сигнал несущей частоты – есть «исходный» аналоговый сигнал, с которым производятся всœе дальнейшие изменения параметров, ᴛ.ᴇ. модуляция.

Запишем гармоническое колебание, выбранное в качестве несу­щего, в следующем виде:

v0(t) = Vcos(ωt + φ)

Это колебание полностью характеризуется тремя параметрами: амплитудой V, частотой ω и начальной фазой φ. Модуляцию можно осуществить изменением любого из трех параметров по закону пере­даваемого сигнала.

Изменение во времени амплитуды несущего колебания, пропорцио­нальное первичному сигналу s(t), принято называть амплитудной моду­ляцией:

V(t) = V + kA∙s(t),

где kA – коэффициент пропорциональности.

Рисунок 2.3

Несущее колебание с модулированной по закону первичного сигнала амплитудой равно:

v(t) = V(t)cos(ωt + φ)

В случае если в качестве первичного сигнала использовать то же гармоническое колебание (но с более низкой частотой)

s(t) = ScosΩt,

то модулированное ко­лебание запишется в виде (для упрощения взято φ = 0):

V(t) = (V + kAScosΩt)cosωt.

Вынесем за скобки V и обозначим ΔV = kAS и MA = ΔV/V. Тогда

V(t) = V(1 + MAcosΩt) cosωt.

Параметр MA = ΔV/Vпринято называть глубиной амплитудной моду­ляции. При MA = 0 модуляции нет и v(t) = v0(t), ᴛ.ᴇ. получаем не­модулированное несущее колебание. Обычно амплитуда несу­щего выбирается больше амплитуды первичного сигнала, так что MA ≤ 1.

На рис. 2.3 показана форма передаваемого сигнала (а), несущего колебания до модуляции (б) и модулированного по амплитуде несу­щего колебания (в).

Литература: 1 осн [30-31], 5 доп.[10-15].

Контрольные вопросы:

1. Что такое сигнал?

2. Чем отличается непрерывный сигнал от дискретного?

3. Виды сигналов?

4. Основные характеристики сигналов?

5. Что представляют собой речевые, звуковые сигналы?

Источник: http://oplib.ru/random/view/913838