Балтийский федеральный университет имени И. Канта
Физико-технический факультет
| Утверждаю |
| Заведующий кафедры |
| к.т.н., доцент |
| А. Шпилевой |
| «___»_________ 200__ г. |
Л Е К Ц И Я № 1
Тема: «Введение в дисциплину общая теория связи»
Текст лекции по дисциплине: «Общая теория связи»
| Обсуждена и одобрена на заседании кафедры |
| протокол №___ от «___»___________200__г. |
Г. Калининград 2012 г.
Текст лекции № 1
по дисциплине: «Общая теория связи»
Введение
Новости
1. 12 сентября Apple представит не только новый смартфон iPhone 5, но и обновленные плееры iPod touch, iPod nano и iPod Shuffle (https://www.mobiset.ru/news/).
2. Apple и Samsung не раз говорили о том, что судебные разбирательства не скажутся на совместном бизнесе двух производителей. Однако источники Korea Economic Daily говорят об обратном. По их словам, Apple старается максимально сократить свою зависимость от Samsung при выпуске нового iPhone. Они утверждают, что хотя корейцы и входят в число поставщиков DRAM и NAND – памяти для iPhone 5, первая партия смартфонов будет собираться из комплектующих производства Toshiba, Elpida Memory и SK Hynix (https://www.mobiset.ru/news/).
3. Пропускная способность Ethernet-сетей к концу десятилетия может достичь 10 Тбит/с. Институт инженеров электроники и электротехники (IEEE) сформировал специальную рабочую группу IEEE 802.3 Industry Connections Higher Speed Ethernet Consensus, которой предстоит решить, какими должны быть скоростные характеристики стандарта Ethernet следующего поколения. Исследования показывают, что потребность в двукратном увеличении пропускной способности каналов связи возникает приблизительно раз в два года. Обусловлено это, прежде всего появлением новых видеосервисов, развитием систем высокопроизводительных вычислений по запросу и облачных служб https://net.compulenta.ru/702397/.
Предназначение, цель и предмет дисциплины.
Системы связи играют всё большую роль в жизни людей, объединяя и сближая отдельные страны, континенты и объекты космоса. Последние годы отмечены не только интенсивным развитием проводных и оптико-волоконных систем связи, но и заметным развитием систем радиосвязи.
Помимо радиорелейных и спутниковых систем радиосвязи быстро развиваются сети мобильных цифровых сотовых систем радиосвязи.
Разработки систем связи последнего времени используют не только возможности современных технологий, но и достижения современной теории связи, позволяющие повысить не только объёмы передаваемой информации, но и качество передачи сообщений.
В развитии теории и техники связи пройден значительный путь, начало которого было заложено более 100 лет назад. Совершенствование связи всегда непосредственно связывалось с развитием электротехники, а впоследствии и радиотехники в целом. Два исследователя стоят у её истоков: русский учёный Александр Степанович Попов (1859-1906) и итальянский изобретатель Гульельмо Маркони (1874-1937). Но кто из них всё же первым передал на расстояние информацию, как было принято говорить, с помощью беспроволочного телеграфа? Прежде чем ответить на этот вопрос, кратко о предшественниках двух великих изобретателей.
В 1873 г. английский учёный Джеймс Клерк Максвелл опубликовал работу «Трактат по электричеству и магнетизму», где сформулировал свои 12 выводов в виде уравнений. Как следствие из составленных им уравнений, следовал вывод о возможности распространения ЭМВ в свободном пространстве со скоростью света. Но полученному теоретическим путём открытию мало кто поверил, даже известные в ту пору физики. Однако спустя 15 лет немецкий учёный Генрих Рудольф Герц экспериментальным путём доказал справедливость теории Максвелла. Сущность опытов Герца состояла в следующем. К двум латунным стержням с малым зазором между ними подключалась индукционная катушка, создающая высокое напряжение. Когда это напряжение превышало напряжение пробоя, в зазоре проскакивала искра и происходило возбуждение ЭМК. Излученные колебания регистрировались на расстоянии в несколько десятков метров. Что неопровержимо доказывало распространение ЭМВ. Герцем была получена минимальная длина волны 60 см. В современном представлении осциллятор Герца есть открытый колебательный контур, в котором при возбуждении его искровым способом возникают затухающие колебания, излучаемые в пространство.
Из опытов Герца, опубликовавшего результаты своих экспериментальных исследований, отталкивались как Попов, так и Маркони. 7 мая 1895 г. А.С. Попов впервые продемонстрировал на заседании физического отделения Русского физико-химического общества свой чувствительный радиоприёмник, названный в начале грозоотметчиком, принимавший колебания, излучаемые видоизменённым осциллятором Герца. Этот день в нашей стране отмечается как день радио. Отчёт о знаменательном заседании с описанием доклада и эксперимента А.С. попова был опубликован в журнале общества в августе 1895 г. и январе 1896 г.
24 марта 1896 г. на заседании того же общества А.С. Попов помимо радиоприёмника демонстрирует и созданный им искровой радиопередатчик, передав из одного здания в другое азбукой Морзе (Самуэль Морзе 1791 – 1872 г. американский художник и изобретатель) первую в мире радиотелеграмму. Текст её был краток: «Генрих Герц». В 1897 г. при испытаниях на кораблях дальность связи с помощью аппаратов Попова достигла 5 км, а к 1900 г. она возросла до 47 км. во время спасательных работ севшего на камни корабля в Балтийском море.
Другой изобретатель радио – Маркони – также приступил к своим исследованиям, отталкиваясь от опытов Герца. В 1896 г. Маркони из Италии переселяется в Великобританию, где его изобретением заинтересовалось Почтовое ведомство и Адмиралтейство. В 1896 г. Маркони подает заявку на изобретение, связанное с передачей импульсов, а в июле 1897 г. получает на него первый английский патент. В том же году он создаёт крупное акционерное общество «Маркони и К0», сумев привлечь к своему открытию значительные финансовые средства. Маркони в Великобритании зарекомендовал себя не только великим изобретателем, но и крупным предпринимателем, сумевшим быстро и эффективно внедрить в промышленное производство созданные им радиотелефонные аппараты, приносившие его компании большую прибыль. В 1901 г. с помощью аппаратов Маркони была установлена радиосвязь через Атлантический океан с Америкой, а в 1918 г. – с Австралией. В 1909 г. за изобретение радио Маркони была присуждена Нобелевская премия по физике. За три года до этого события скончался А.С. Попов. Поскольку Нобелевская премия присуждается только при жизни, то кандидатура последнего не рассматривалась. Следовательно, первым публично продемонстрировал и сделал сообщение о своём изобретении радио А.С. Попов. А в деле патентования и продвижения в промышленное производство созданных им радиотелефонных аппаратов преуспел Маркони.
Демонстрация телеграфии в 1838 г. С. Морзе последовала за открытием в 1820 г. магнетизма Эрстедом и Ампером. В 1880 г. Герц подтвердил предположение Максвелла (1873 г.) о возможности беспроволочного распространения электромагнитной энергии.
Общая теория связи, возникшая относительно недавно, появилась и развивается на стыке, с одной стороны, математических наук – теории вероятностей, математической статистики, теории случайных процессов, теории множеств, комбинаторики, а с другой – на основе инженерно-технических методов электрической связи.
Одной из первых работ, не утративших по настоящее время своего значения, явилась работа В.А. Котельникова (академика, вице-президента АН СССР) «О пропускной способности «эфира» и проволоки в электросвязи»
Основы современной теории связи были заложены в фундаментальных работах В.А. Котельникова по теории потенциальной помехоустойчивости (1947 г.) и К. Шеннона по теории информации (1948 г.). Отдельные вопросы теории рассматривались в более ранних работах Х.Найквиста (1928 г.) и В.А. Котельникова (1933 г.), в которых была сформулирована теорема отсчётов, в работе Р. Хартли (1928 г.), в которой введена логарифмическая мера количества информации, в работе Д.В.Агеева (1935 г.) по теории линейного разделения каналов.
В создании и развитии теории связи большую роль сыграли работы А. Я. Хинчина (1938 г.) по корреляционной теории случайных процессов, А. Н. Колмогорова (1941 г.) и Н. Винера (1943 г.) по интерполированию и экстраполированию стационарных случайных последовательностей, А. Вальда (1950г.) по теории статистических решений.
Дальнейшее развитие теория получила в работах Р. Райса, А. А. Харкевича, В.И. Сифорова, Р. Галлагера, Х. Хелстрома, Р.Фано, Л. М. Финка, Д. Витерби и многих других отечественных и зарубежных учёных.
Курс ОТС относится к числу фундаментальных дисциплин подготовки инженеров, владеющих современными методами анализа и синтеза систем и устройств связи различного назначения.
Общая теория связи изучает методы передачи информации, которые основываются на использовании в качестве носителей сообщений электрических сигналов. Электрическим сигналом (сигналом) будем называть электромагнитное колебание, один или несколько параметров которого изменяются во времени в зависимости от изменения состояний источника информации.
Целью курса является изучение основных закономерностей и методов передачи сообщений по каналам связи.
Общая теория связи исследует процесс функционирования системы электрической связи и ее составных элементов, способы наиболее рационального построения их. Ею рассматриваются закономерности функционирования источников информации, технических устройств, обеспечивающих преобразование информации в электромагнитные волны и обратно, закономерности процесса распространения ЭМВ. На основе такого исследования решается основная задач теории электрической связи – нахождение методов восстановления переданного сообщения по принятым сигналам, при котором обеспечивается оптимальная передача сообщений
Предметом дисциплины является определение как должны работать элементы системы связи и каким они должны удовлетворять требованиям для достижения необходимых характеристик системы в целом по скорости и качеству передачи информации.
Дисциплинами, на которых базируется ОТС являются: «Высшая математика», «Теория вероятностей и математическая статистика», «Физика», «Информатика», «Основы теории цепей».
В настоящее время именно теория электросвязи указывает перспективные направления развития техники электросвязи. Знания этой теории необходимо не только на стадии разработки систем связи, но и при их эксплуатации, так как позволяет правильно организовать борьбу с помехами для достижения требуемого качества и скорости передачи информации. Поэтому изучение дисциплины ОТС является неотъемлемой частью теоретической подготовки инженеров - связистов.
Выводы
1. Дисциплина ОТС даёт знания о перспективных направлениях развития средств и систем связи.
2. Основной задачей курса является формирование «технического мировоззрения» студентов, поэтому в дисциплине основное внимание уделено принципам и методам передачи сообщений по каналам связи.
2. Краткое содержание и изучения разделов и тем.
|
|
|
Выводы
Таким образом, в ходе рассмотрения второго вопроса удалось:
1. Основной задачей, которую решает дисциплина «Общая теория связи» связи является определение методов преобразования сообщения в сигнал и восстановления переданных сообщений по принятым сигналам, при которых обеспечивается оптимальная передача сообщений.
3. Место дисциплины в системе подготовки специалиста. Основная и дополнительная литература.
Всё многообразие изменений, происходящих в окружающем нас мире, можно разделить всего лишь на три принципиально различающиеся операции: перемещение материи, энергии и информации в пространстве и времени. Как правило, в чистом виде ни одна из операций не может быть выполнена. Так, например, перемещение материи связано с затратами или освобождением энергии, а для хранения энергии необходим материальный объект. Особое место занимает операция перемещения информации. Она присуща только живой материи.
Операция перемещения информации подразумевает наличие двух разнесённых в пространстве или времени субъектов, называемых источником и получателем информации.
Формой представления информации является сообщение.
Для передачи сообщений необходим некоторый материальный носитель: предмет, свет, газ и т. д. Этот носитель должен некоторым образом отображать на себе последовательность изменения состояний источником информации, то есть сообщения.
ОТС изучает методы передачи информации, которые основываются на использовании в качестве носителей сообщений электрических сигналов. Под электрическим сигналом будем понимать электромагнитное колебание, один или несколько параметров которого изменяются во времени в зависимости от изменения состояний источника информации.(говорилось при изложении 1 вопроса)
Совокупность источников и получателей сообщений, относящихся к одной организационной системе, и технических средств, осуществляющих передачу электрических сигналов между ними, называют системой электрической связи.
Изучив указанные выше термины, мы можем сказать, что дисциплина ОТС изучает процесс функционирования системы электрической связи и её составных частей, способы наиболее рационального построения их. Ею рассматриваются закономерности функционирования источников информации «ИС», технических устройств, обеспечивающих преобразование информации в электромагнитные волны и обратно.
Следует отметить, что в дисциплине не изучаются вопросы схемотехнического построения средств и систем связи.
Освоив материал дисциплины, вы сможете самостоятельно разобраться с новыми средствами и комплексами связи, которые будут поступать на вооружение.
Следовательно, ОТС является базой для изучения:
средств и комплексов связи;
принципов построения каналов и сетей связи;
способов борьбы с помехами в каналах связи.
Общая теория связи чётко указывает не только возможности совершенствования существующих систем связи, но и пути создания новых, с улучшенными характеристиками. При этом учитываются два важнейших показателя – пропускная способность и помехоустойчивость систем электрической связи.
Под пропускной способностью будем понимать свойство системы связи передавать в единицу времени сообщения определенного объёма. Помехоустойчивость – свойство системы связи передавать сообщения в условиях искажения сигналов под действием помех.
Именно вопросы пропускной способности и помехоустойчивости являются главными в процессе проектирования и эксплуатации средств связи.
Благодаря исследованиям, которые проводятся в рамках дисциплины ОТС, в последние годы появились новые решения, которые позволили резко улучшить помехоустойчивость и увеличить пропускную способность систем связи.
К таким новым достижениям в области ОТС следует отнести:
1. Разработка и внедрение принципиально новых видов модуляции: амплитудно-фазовая, квадратурная фазовая модуляция со сдвигом, частотная модуляция с минимальным частотным сдвигом и гауссовской фильтрацией, непрерывная фазовая модуляция.
2. Создание новых помехоустойчивых кодов: сверточные коды, каскадные коды. Разработка различных методов перемежения символов.
3. Разработка и внедрение систем автоматического запроса повторной передачи.
4. Разработка и внедрение новых помехоустойчивых методов модуляции с расширением спектра сигнала. О таких системах ещё несколько лет назад невозможно было даже мечтать.
5. Создание различных систем многоканальной связи. Принципиально новым направлением в этой области явилось появление на свет систем с уплотнением сигналов по форме.
6. Разработка цифровых методов передачи аналоговых сообщений.
7. Построение сетей связи на базе цифровых методов передачи и коммутации с помощью цифровых систем передачи и цифровых систем коммутации.
8. Создание новых профессиональных систем подвижной связи: персонального радиовызова, сотовой подвижной радиосвязи, беспроводных телефонов.
Это далеко не полный перечень новых технических и организационных решений, которые появились на свет благодаря теории электрической связи.
Подводя итог первой части третьего вопроса лекции можно сделать следующие выводы:
Выводы
1.Дисциплина ОТС, рассматривая систему связи с общих теоретических позиций, формирует у студентов техническое «мировоззрение», готовит вас к изучению современных средств и комплексов связи.
2.Материал дисциплины служит основой для понимания перспективных путей развития систем связи, указывает направления самостоятельной работы в области электрической связи.
Заключение
Общее направление развития телекоммуникаций в XXI веке характеризуется следующими понятиями: универсализация, интеграция и интеллектуализация – в части технических средств и в сетевом плане; глобализация и персонализация – в части услуг. Одна из важнейших особенностей нашего времени – бурный рост обмена неголосовой информации. Ещё несколько лет назад подавляющая часть сетевого трафика приходилась на телефонию. Объём трафика в течение многих лет рос медленно и предсказуемо. Взрывной рост обмена мультимедийной информации в таких сетях, как Интернет, радикально изменил эту ситуацию.
Современная общая теория связи использует понятия и методы из различных научных областей и прежде всего – математики, физики, теории цепей, вычислительной техники. Все понятия и методы из этих областей образуют в курсе ОТС определённое единство и должны рассматриваться как единое целое в рамках системного подхода, принятого на вооружение современной науки. Основное понятие, используемое в курсе ОТС, - понятие математической модели сообщений, сигналов, помех и каналов в системах связи. Все эти модели таковы, что позволяют с той или иной степенью полноты и точности осуществить две взаимосвязанные операции – анализ и синтез устройств преобразования сигналов. ОТС развивалась так, что методы анализа часто обгоняли методы синтеза. Однако в последнее время эта ситуация меняется коренным образом под влиянием широкого внедрения ЭВМ в практику научного поиска. Практическая разработка новых систем сегодня всё больше базируется на подходе, включающем этапы: модель - алгоритм - программа. Переход к цифровым методам передачи различных сообщений и цифровой обработке сигналов на большей части тракта передачи при широком использовании микропроцессорной техники обеспечивает интеграцию средств связи и средств вычислительной техники. На этой основе создаются интегральные цифровые сети, в которых достигается не только наиболее полная интеграция по видам связи и услуг, но и интеграция технических средств передачи, обработки, коммутации, управления и контроля. Интегральные сети, объединяющие в единый комплекс вычислительные и информационные системы на базе современных ЭВМ, включая персональные компьютеры, образуют единую информационно-коммуникационную сеть. Информационно-коммуникационные сети являются технической основой современных информационных технологий, обеспечивающих информатизацию всего мирового сообщества.
Проблемы информатизации предъявляют весьма высокие требования к технике связи. Для техники связи – это прежде всего требования: высоких скоростей (порядка Гигабит и более в секунду); малых коэффициентов ошибок (порядка 10-10…..10-11); больших дальностей передачи (около 100 млн. км. в системах космической связи); малых масс и энергопотребления аппаратуры.
На основе современной теории связи представляется возможным создать весьма совершенные системы связи, близкие по своим показателям к идеальной системе. Однако даже при использовании современных технологий повышение эффективности существующих и вновь создаваемых систем связи ставят перед ОТС ряд новых нерешённых задач. Поэтому теорию электрической связи нельзя считать завершённой, она находится в постоянном движении и обновлении.
Выводы
1. Дисциплина ОТС изучает вопросы анализа и синтеза систем связи, является базой для изучения всех специальных дисциплин.
2. Общая теория связи указывает пути дальнейшего совершенствования всех элементов системы связи в интересах улучшения помехоустойчивости и увеличения пропускной способности.
Литература
1. Прокис Дж. Цифровая связь: Пер. с англ. / Под ред. Д.Д. Кловского. – М.: Радио и связь, 2000. – 800 с.
2. Бернард Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. – 1104 с.
3. Сухоруков А.С. Теория электрической связи: Конспект лекций. Часть 1. – М.:МТУСИ, ЦЕНТР ДО, 2002. – 65 с.
4. Сухоруков А.С. Теория цифровой связи: Учебное пособие. Часть 2. – М.:МТУСИ, 2008. – 53 с.
5. Аджемов А.С. Мир информационной реальности. – М.: ИРИАС, 2006. – 296 с.
6. Каганов В.И., Битюков В.К. Основы радиоэлектроники и связи: Учеб. пособие для вузов. – М.: Горячая линия-Телеком, 2007. – 542 с.
7. Стеценко О.А. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник. – М.: Высш. шк., 2007. – 432 с.
8. Санников В.Г. Сборник задач по курсу «Теория электрической связи»: Учеб. пособие. Часть 1. – М.: МТУСИ, 1992. – 62 с.
9. Санников В.Г. Сборник задач по курсу «Теория электрической связи»: Учеб. пособие. Часть 2. – М.: МТУСИ, 2001. – 65 с.
10. Санников В.Г. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция: Учеб. пособие. – М.: МТУСИ, 2006. – 56 с.
Разработал: преподаватель кафедры, к.т.н.
О.Р. Кивчун
«___»__________ 2012 года