Санктпетербургский
 Скачать 1.2 Mb.
|
|
Параметры сигналов • Мощность сигнала: • Удельная энергия сигнала • Длительность сигнала T определяет интервал времени, в течение которого сигнал суще- ствует (отличен от нуля); • Динамический диапазон есть отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к наименьшей: • Ширина спектра сигнала F — полоса частот, в пределах которой сосредоточена основная энергия сигнала; • База сигнала есть произведение длительности сигнала на ширину его спектра . Необходимо отметить, что между шириной спектра и длительностью сигнала существует об- ратно пропорциональная зависимость: тем короче спектр, тем больше длительность сигнала. Таким образом, величина базы остается практически неизменной; • Отношение сигнал/шум равно отношению мощности полезного сигнала к мощности шума; • Объем сигнала характеризует пропускную способность канала связи, необходимую для передачи сигнала. Он определяется как произведение ширины спектра сигнала на его длитель- Системный анализ и принятие решений Макаров Л.М. 9 ность и динамический диапазон (D): FTD V = При организации связи – передаче сообщений выделяют понятия: • цепь связи — проводники/волокно используемые для передачи одного сигнала. В радио- связи то же понятие имеет название ствол. Различают кабельную цепь — цепь в кабеле и воз- душную цепь — подвешена на опорах. • линия связи (ЛС) в узком смысле — физическая среда, по которой передаются информа- ционные сигналы аппаратуры передачи данных и промежуточной аппаратуры. В широком смысле — совокупность физических цепей и (или) линейных трактов систем передачи, имею- щих общие линейные сооружения, устройства их обслуживания и одну и ту же среду распро- странения (ГОСТ 22348). Тракт — совокупность оборудования и среды, формирующих специа- лизированные каналы имеющие определенные стандартные показатели: полоса частот, ско- рость передачи. В общем случае система связи (СС) состоит из оконечного оборудования (ОО, терми- нальное устройство, терминал, оконечное устройство) источника и получателя сообщения, и устройств преобразования сигнала (УПС) с обеих концов линии. ОО обеспечивает первичную обработку сообщения и сигнала, преобразование сообщений из вида в котором их предоставля- ет источник (речь, изображение и т. п.) в сигнал (на стороне источника, отправителя) и обратно (на стороне получателя), усиление и т. п. УПС может обеспечивает защиту сигнала от искаже- ний, формирование канала(ов), согласование группового сигнала (сигнала нескольких каналов) с линией на стороне источника, из смеси полезного сигнала и помех восстановление группово- го сигнала, разделение его на индивидуальные каналы, обнаружение ошибок и коррекцию на стороне получателя. Линия связи может содержать усилители и регенераторы. Усилитель — просто усиливает сигнал вместе с помехами и передает дальше, используется в аналоговых си- стемах передачи (АСП). Регенератор («переприемник») — производит восстановление сигнала без помех и повторное формирование линейного сигнала, используется в цифровых системах передачи (ЦСП). Усилительные пункты/регенерационные пункты бывают обслуживаемые и необслуживаемые, ОУП, НУП и ОРП, НРП соответственно. Сеть — это множество линий связи и промежуточного оборудования/промежуточных узлов, терминалов/оконечных узлов, предназначенных для передачи информации от отправите- ля до получателя с заданными параметрами качества обслуживания (то есть можем быстро, но часть информации будет потеряна (плохо), можем хорошо но медленно, можем быстро и хоро- Системный анализ и принятие решений Макаров Л.М. 10 шо, но это будет дороже, и т. п.). При наличии нескольких источников информации (отправителей) и нескольких получа- телей можно проложить между каждой парой отдельную линию связи. Однако, такой подход становится неэффективным уже при достаточно малом количестве источников и получателей. Вместо этого обычно организуется структура, в которой число линий связи гораздо меньше и на линиях организуются каналы (с помощью уплотнения), а обмен информацией между узлами обеспечивается с помощью технологий коммутации. Одними из характеристик сети являются надежность и живучесть. Живучесть — способность выполнять сетью свои функции в условиях неблагоприятных внешних воздействий (структурные изменения и т. п.). Надежность — то же, что и живучесть, но с сохранением качества обслуживания. Классификация измерений Классификацию измерений, которые проводятся в телекоммуникационной компании, можно проводить по множеству параметров. Например: по среде передачи: • оптический кабель, • электрический кабель, • радиочастотные системы передачи по типам сетей: • первичная сеть, • вторичная сеть (магистральная, распределительная); • по виду сетей: • аналоговая, • цифровая по применению: телефонная сеть общего назначения, WAN – распределенная сеть, позволяющая передавать информацию на значительные расстоя- ния; LAN локальная компьютерная сеть ATM сеть имеет структуру, похожую на структуру телефонной сети — конечные станции со- единяются с коммутаторами нижнего уровня, которые в свою очередь соединяются с коммута- торами более высоких уровней. Коммутаторы ATM пользуются адресами конечных узлов для Системный анализ и принятие решений Макаров Л.М. 11 маршрутизации трафика в сети коммутаторов. по видам услуг: • телефония проводная, • телефония беспроводная, • ISDN, • WiFi, • IPTV, Это далеко не полная классификация измерений, проводимых в телекоммуникационной компании, но и этот вариант систематизации говорит о многообразии процессов измерений различного назначения и применения, большого количества объектов измерения, множества параметров, тестов, методов измерений, массы алгоритмов анализа и процедур обработки ре- зультатов измерений. Измерения проводятся посредством приборов аппаратов и технических систем. Реги- стрируемые сигналы, как и сообщения, могут быть непрерывными и дискретными. Информа- ционный параметр непрерывного сигнала с течением времени может принимать любые мгно- венные значения в определенных пределах. Непрерывный сигнал называют аналоговым. Дис- кретный сигнал характеризуется конечным числом значений информационного параметра. Ча- сто этот параметр отождествляет всего два значения. На рис. 1.1 показаны виды аналогового и дискретного сигналов. 1.2. Уровни сигналов В технике связи наряду с абсолютными единицами измерения параметров электриче- ских сигналов (мощность, напряжение и ток) широко используются относительные единицы. Рис. 1.1. Виды сигналов: а - аналогового, б – дискретного Системный анализ и принятие решений Макаров Л.М. 12 u” – максимальный уровень и u' минимальный уровень сигнала Уровнем передачи сигнала в некоторой точке канала или тракта называют логарифмиче- ское преобразование отношения энергетического параметра S (например, мощности, напряже- ния или тока) к отсчетному значению этого же параметра. Правило преобразования определя- ется формулой: где m - масштабный коэффициент; a - основание логарифма. Уровни передачи измеряются в децибелах, если справедливы соотношения: для уровней по мощности, [дБ] для уровней по напряжению, [дБ] Уровень передачи называется абсолютным, если P 0 =1 мВт. Если теперь задать R 0 , то при заданных значениях мощности и сопротивления легко получить соответствующие величины напряжения U 0 и тока I 0 : ; При R 0 = 600 Ом в практических расчетах принимают округленные значения: для U 0 = 0,775 В, а для I 0 = 1,29 мА. Измерительные уровни служат для определения уровней передачи с помощью измерительных приборов, называемых указателями уровня. 1.3. Параметры сигналов Описание сигналов электросвязи некоторым образом необходимо для их адекватной об- работки в процессе передачи. Описанием сигнала может служить некоторая функция времени. Системный анализ и принятие решений Макаров Л.М. 13 Определив так или иначе данную функцию, определяем и сигнал. Однако такое полное опреде- ление сигнала не всегда требуется. Достаточно описание в виде нескольких параметров, харак- теризующих основные свойства сигнала с точки зрения его передачи. Если провести аналогию с транспортированием грузов, то для транспортной сети опре- деляющими параметрами груза являются его масса и габариты. Сигнал также является объек- том транспортирования, а техника связи - техникой транспортирования (передачи) сигналов по каналам связи. Основными первичными сигналами электросвязи являются: телефонный, звукового ве- щания, факсимильный, телевизионный, телеграфный, передачи данных. Телефонный (речевой) сигнал. Звуки речи образуются в результате прохождения воз- душного потока из легких через голосовые связки и полости рта и носа. Частота импульсов ос- новного тона (f 0 на рис. 1.2) лежит в пределах от 50 - 80 Гц (бас) до 200 - 250 Гц (женский и детский голоса). Импульсы основного тона содержат большое число гармоник (до 40) (2f 0 ,..,nf 0 на рис. 1.2), причем их амплитуды убывают с увеличением частоты со скоростью приблизительно 12 дБ на октаву (кривая 1 на рис. 1.2). Напомним, что октавой называется диапазон частот, верх- няя частота которого в два раза выше нижней. Следуя этому представлению, амплитуда гармо- ники 2f 0 на 12 дБ больше, чем гармоники 4f 0 и т.д. При разговоре частота основного тона f 0 ме- няется в значительных пределах. Рис. 1.2 Спектральный состав речевого сигнала В процессе прохождения воздушного потока из легких через голосовые связки и поло- Системный анализ и принятие решений Макаров Л.М. 14 сти рта и носа образуются звуки речи, причем мощность гармоник частоты основного тона ме- няется (кривая 2 на рис. 1.2). Области повышенной мощности гармоник частоты основного то- на называются формантами (рис. 1.2). Различные звуки речи содержат от двух до четырех фор- мант. Высокое качество передачи телефонного сигнала характеризуется уровнем громкости, разборчивостью, естественным звучанием голоса, низким уровнем помех. Эти факторы опреде- ляют требования к телефонным каналам. Основными параметрами телефонного сигнала являются: • мощность телефонного сигнала. Принимается, что средняя мощность телефонного сиг- нала в точке с нулевым измерительным уровнем на интервале активности составляет 88 мкВт. С учетом коэффициента активности (0,25) средняя мощность телефонного сигнала равна 22 мкВт. Кроме речевых сигналов в канал связи могут поступать сигналы управления, набора но- мера. С учетом этих сигналов среднюю мощность телефонного сигнала принимают равной 32 мкВт. • коэффициент активности телефонного сообщения, т.е. отношение времени, в течение которого мощность сигнала на выходе канала превышает заданное пороговое значение, к об- щему времени занятия канала для разговора. При разговоре каждый из собеседников говорит приблизительно 50% времени. Кроме того, отдельные слова, фразы отделяются паузами. По- этому коэффициент активности составляет 0,25 - 0,35. • динамический диапазон определяется выраженным в децибелах отношением макси- мальной и минимальной мощности сигнала (дБ). • динамический диапазон телефонного сигнала составляет DС=35 - 40 дБ Известно, что речь представляет собой широкополосный процесс, частотный спектр ко- торого простирается от 50 - 100 Гц до 8000 – 12 000 Гц. Установлено, однако, что качество речи получается вполне удовлетворительным при ограничении спектра частотами 300 - 3400 Гц. Эти частоты приняты в качестве границ эффек- Системный анализ и принятие решений Макаров Л.М. 15 тивного спектра речи. При указанной полосе частот слоговая разборчивость составляет около 90%, разборчивость фраз - более 99% и сохраняется удовлетворительная натуральность звуча- ния. Сигналы звукового вещания. Источником звука при передаче программ вещания обычно являются музыкальные ин- струменты или голос человека. Динамический диапазон вещательной передачи следующий: речь диктора 25 - 35 дБ, художественное чтение 40 - 50 дБ, вокальные и инструментальные ан- самбли 45 - 55 дБ, симфонический оркестр до 65 дБ. При определении динамического диапазо- на максимальным считается уровень, вероятность превышения которого равна 2%, а мини- мальным - 98%. Средняя мощность сигнала вещания существенно зависит от интервала усреднения. В точке с нулевым измерительным уровнем средняя мощность составляет 923 мкВт при усредне- нии за час, 2230 мкВт - за минуту и 4500 мкВт - за секунду. Максимальная мощность сигнала вещания в точке с нулевым измерительным уровнем составляет 8000 мкВт. Частотный спектр сигнала вещания расположен в полосе частот 15 – 20 000 Гц. При пе- редаче как телефонного сигнала, так и сигналов вещания полоса частот ограничивается. Для достаточно высокого качества (каналы вещания первого класса) эффективная полоса частот должна составлять 0,05 - 10 кГц, для безукоризненного воспроизведения программ (каналы высшего класса) 0,03 - 15 кГц. Факсимильный сигнал формируется методом построчный развертки. Частотный спектр первичного факсимильного сигнала определяется характером передаваемого изображения, ско- ростью развертки и размерами сканирующего пятна. Телевизионный сигнал также формируется методом развертки. Анализ показывает, что энергетический спектр телевизионного сигнала сосредоточен в полосе частот 0 - 6 МГц. Ос- новным параметром дискретного сигнала с точки зрения его передачи является требуемая ско- рость передачи (бит/с). Аналогичные параметры определяются и для каналов связи. Параметры каналов связи должны быть не меньше соответствующих параметров сигналов. Свести пара- метры аналоговых сигналов к единому параметру (скорости передачи) позволяет преобразова- ние этих сигналов в цифровые Система электросвязи - совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающая передачу сообщений. Сообщение при помощи преобразователя сообщение- сигнал преобразуется в первичный электрический сигнал. Первичные сигналы не всегда удобно (а иногда невозможно) непосредственно передавать по линии связи. Поэтому первичные сигна- лы при помощи передатчика преобразуются в так называемые вторичные сигналы, характери- Системный анализ и принятие решений Макаров Л.М. 16 стики которых хорошо согласуются с характеристиками линии связи. Канал связи - совокупность технических устройств (преобразователей) и среды распро- странения, обеспечивающих передачу сигналов на расстояние. Каналы и системы связи, использующие искусственную среду распространения (метал- лические провода, оптическое волокно), называются проводными, а каналы и системы связи, в которых сигналы передаются через открытое пространство - радиоканалами и радиосистемами. 2 Основы математического описания процессов 2.1 Основные понятия системного подхода и анализа Системный подход и системный анализ. В основе методов анализа и исследования систем управления лежит принцип идеализации как мыслительный процесс создания идеальных объектов посредством изменения свойств реаль- ных предметов. Идеализированные свойства систем управления формализуются в виде ком- плекса системно-аналитических технологий, включающих философские, математические, фи- зические, химические и другие технологии, адекватные модели и методы системного анализа и принятия решений. Важными элементами исследования являются подходы, основанные на де- композиции и агрегировании. Декомпозиция – аналитический или численный метод исследова- ния на основе разделения сложного целого (систем, подсистем и т.п.) на более простые состав- ные части, используя для этого определенные критерии. В системном анализе широко исполь- зуется «триадные модели» (триады), включающие задание целей, средств и результатов. «Дере- во целей» – структурированная и построенная по иерархическому принципу ранжированная по уровням совокупность целей системы, программы, плана, в которой выделены: главная цель («вершина дерева»), подчиненные ей подцели первого, второго и т.д. уровней («ветви дерева»). Аналогично можно ввести обобщенные понятия средств достижения целей. Тогда «де- рево средств» можно определить как иерархическую совокупность средств, согласованно рас- пределенных по уровням иерархической или другой структуры системы управления инноваци- онной деятельностью. При этом можно задать оператор или совокупность операторов, позво- ляющих обеспечить достижение необходимых целей. В итоге можно сформулировать «дерево результатов». Системно-аналитические технологии можно сформулировать как основные ме- тодологические приемы, которые целесообразно использовать при решении задач системного анализа. Применение методов системного анализа при принятии решений в условиях неопреде- ленности требует разработки методов и формулировки алгоритмов (схем) обработки вариант- ных экспертных оценок в соответствии с различными критериями. «Системный анализ» пред- полагает разделение проблемы на подпроблемы с последующим рассмотрением этих подпро- Системный анализ и принятие решений Макаров Л.М. 17 блем. Общая характеристика принципов системного анализа дается в виде схемы. Следуя этим представлениям все наблюдаемые процессы, характеризующие физические явления, можно классифицировать в самом общем виде как детерминированные и недетерми- нированные. К детерминированным относятся процессы, которые могут быть описаны точны- ми математическими соотношениями. Например, твердое тело, подвешенное к неподвижной основе на упругой пружине. После растяжения пружины тело будет совершать колебательные движения. Предположим, что тело получает начальное смещение X из положения равновесия и освобождается в моменте t = 0 (рис. 2.1). На основе фундаментальных законов механики или путем повторных наблюдений мож- но установить справедливость следующего соотношения: t m k X t x cos ) ( = , 0 t (2.1) где m — масса тела (предполагаемого абсолютно жестким), a k — коэффициент жесткости пружины. Масса пружины полагается равной нулю. Формула (2.1) точно описывает положение тела в любой момент времени. Следователь- но, физический процесс, характеризующий движение тела, относится к детерминированным. Рис. 2.1 Механическая модель колебательного процесса На практике встречается много физических явлений, которые с высокой степенью при- ближения могут быть описаны точными математическими соотношениями. Например, движе- ние спутника по околоземной орбите, изменение потенциала на пластинах конденсатора, кото- рый разряжается через сопротивление, вибрации несбалансированного ротора или изменение температуры воды при нагревании — все эти явления носят по существу детерминированный характер. Однако можно назвать множество других физических процессов, имеющих недетер- минированный характер. Например, изменения высоты волн на взволнованной поверхности Системный анализ и принятие решений Макаров Л.М. 18 моря, колебания акустического давления, создаваемые движущимся в трубе воздушным пото- ком, или изменения напряжения на выходе генератора шума. Все это процессы, которые нельзя описать точными математическими соотношениями. Точное значение такого процесса в некоторый момент времени в будущем предсказать невоз- можно. Эти процессы случайны по своей природе и должны описываться не точными уравне- ниями, а при помощи осредненных статистических характеристик. Во многих случаях трудно решить, относится ли рассматриваемый физический процесс к детерминированным или к случайным. Рассмотрение этого вопроса требует проведения ис- следований. В частности можно сказать, что исследование поведения различных систем прово- дят на основе анализа сигналов, характеризующих состояние системы в разные моменты вре- мени. Набор оценок полученных на основе анализа сигналов позволяет установить особенности функционирования системы и, и при определенных условиях, принципы строения. Так, обра- щаясь к предыдущему примеру о колебании тела на пружине, было введено условие об абсо- лютной жесткости структуры, другими словами, жесткой связи структурных элементов тела. Если допустить, что исследуемое тело на пружине представлено резервуаром с жидкостью, то соотношение (2.1) потребуется изменить. Можно, утверждать, что в действительности ни один физический процесс нельзя считать строго детерминированным, поскольку всегда существует возможность того, что в будущем какое-либо непредвиденное событие изменит течение процесса таким образом, что полученные данные будут носить характер совершенно иной, чем предполагалось ранее. С другой стороны, можно полагать, что в действительности ни один физический процесс не имеет строго случайной природы, так как при условии достаточно полного знания механиз- ма изучаемого процесса его можно описать точными математическими соотношениями. Прак- тически решение о детерминированном или случайном характере процесса принимается обыч- но исходя из возможности или невозможности воспроизведения его при заданных условиях. Если многократное повторение опыта дает одинаковые результаты (с точностью до ошибки из- мерения), то, вообще говоря-, есть основания считать процесс детерминированным. Если же повторение опыта в идентичных условиях приводит к разным исходам, то природа процесса полагается случайной. Отметим, что приведенная здесь классификация основана на соображениях удобства по- нимания сути рассматриваемых процессов. В этом контексте полезно напомнить, что обычно физические явления рассматривают как функции времени. Такое представление значительно упрощает трактовку анализа и преобразования сигналов. Однако вместо времени может быть использована любая другая переменная. |