Аналоговая система пожарной сигнализации

Отличие аналоговой и цифровой связи.
Имея дело с радиосвязью, очень часто приходится сталкиваться с такими терминами, как «аналоговый сигнал» и «цифровой сигнал» . Для специалистов в этих словах нет никакой тайны, но для людей несведущих разница между «цифрой» и «аналогом» может быть совсем неведомой. А между тем разница есть и весьма существенная.
Итак. Радиосвязь это всегда передача информации (речевой, СМС, телесигнализации) между двумя абонентами источником сигнала передатчиком (Радиостанцией, репитером, базовой станцией) и приемником.
Когда мы говорим о сигнале, то обычно подразумеваем электромагнитные колебания, наводящие ЭДС и вызывающие колебания тока в антенне приемника. Далее приемное устройство – переводит полученные колебания обратно в сигнал звуковой частоты и выводит на динамик.
В любом случае сигнал передатчика можно представить как в цифровой, так и в аналоговой форме. Ведь, к примеру, сам по себе звук – это аналоговый сигнал. На радиостанции звук, воспринимаемый микрофоном, преобразуется в уже упоминавшиеся электромагнитные колебания. Чем выше частота звука – тем выше частота колебаний на выходе, а чем громче говорит диктор – тем больше амплитуда.
Получившиеся электромагнитные колебания, или волны, распространяются в пространстве с помощью передаточной антенны. Чтобы эфир не забивался низкочастотными помехами, и чтобы у разных радиостанций была возможность работать параллельно, не мешая друг другу, колебания, получившиеся от воздействия звука, суммируют, то есть «накладывают» на другие колебания, имеющие постоянную частоту. Последнюю частоту принято называть «несущей», и именно на ее восприятие мы настраиваем свой радиоприемник, чтобы «поймать» аналоговый сигнал радиостанции.
В приемнике происходит обратный процесс: несущая частота отделяется, а электромагнитные колебания, полученные антенной, преобразуются в колебания звука, и из динамика слышится информация которую хотел сообщить передавший сообщение.
В процессе передачи звукового сигнала от радиостанции к приемнику могут возникнуть сторонние помехи, частота и амплитуда могут измениться, что, конечно же, отразится на звуках, издаваемых радиоприемником. Наконец, и сами передатчик и приемник во время преобразования сигнала вносят некоторую погрешность. Поэтому звук, воспроизводимый аналоговым радиоприемником, всегда имеет некоторые искажения. Голос может вполне воспроизводиться, несмотря на изменения, но фоном будет шипение или даже какие-то хрипы, вызванные помехами. Чем менее уверенным будет прием, тем громче и отчетливее будут эти посторонние шумовые эффекты.


Вдобавок эфирный аналоговый сигнал имеет очень слабую степень защиты от постороннего доступа. Для общественных радиостанций это, конечно, не имеет никакого значения. Но во время пользования первыми мобильными телефонами был один неприятный момент, связанный с тем, что почти любой посторонний радиоприемник мог быть легко настроен на нужную волну для подслушивания вашего телефонного разговора.

Для защиты от этого используют так называемое «тонирование» сигнала или по другому система CTCSS (Continuous Tone-Coded Squelch System) система шумоподавления, кодированная непрерывным тоном или система идентификации сигнала «свой/чужой», предназначенная разделять пользователей, работающих в одном частотном диапазоне, на группы. Пользователи (корреспонденты) из одной группы могут слышать друг друга благодаря идентификационному коду. Объясняя доступно, принцип действия данной системы таков. Вместе с передаваемой информацией в эфир отправляют также дополнительный сигнал (или по другому тон). Приемник, помимо несущей, распознает при соответствующей настойке этот тон и принимает сигнал. Если же в рации –приемнике тон не настроен, то приема сигнала не происходит. Стандартов шифрования существует достаточное большое количество отличающаяся для различных производителей.
Такие недостатки есть у аналогового эфирного вещания. Из-за них, к примеру, телевидение в относительно скором времени обещает стать полностью цифровым.


Цифровая связь и вещания считаются более защищенными от помех и от внешних воздействий. Все дело в том, что при использовании «цифры» аналоговый сигнал с микрофона на передающей станции зашифровывается в цифровой код. Нет, конечно, в окружающее пространство не распространяется поток цифр и чисел. Просто звуку определенной частоты и громкости присваивается код из радиоимпульсов. Продолжительность и частота импульсов задана заранее – она одна и у передатчика, и у приемника. Наличие импульса соответствует единице, отсутствие – нулю. Поэтому такая связь и получила название «цифровая».
Устройство, преобразующее аналоговый сигнал в цифровой код, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) . А устройство, установленное в приемнике, и преобразующее код в аналоговый сигнал, соответствующий голосу вашего знакомого в динамике сотового телефона стандарта GSM, называется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).
Во время передачи цифрового сигнала ошибки и искажения практически исключены. Если импульс станет немного сильнее, продолжительнее, или наоборот, то он все равно будет распознан системой как единица. А нуль останется нулем, даже если на его месте возникнет какой-то случайный слабый сигнал. Для АЦП и ЦАП не существует других значений, как 0,2 или 0,9 – только нуль и единица. Поэтому помехи на цифровую связь и вещание почти не оказывают влияния.
Более того, «цифра» является и более защищенной от постороннего доступа. Ведь, чтобы ЦАП устройства смог расшифровать сигнал, необходимо, чтобы он «знал» код расшифровки. АЦП вместе с сигналом может передавать и цифровой адрес устройства, выбранного в качестве приемника. Таким образом, даже если радиосигнал и будет перехвачен, он не сможет быть распознан из-за отсутствия как минимум части кода. Это особенно актуально для связи.
Итак, отличия цифрового и аналогового сигналов :
1) Аналоговый сигнал может быть искажен помехами, а цифровой сигнал может быть или забит помехами совсем, или приходить без искажений. Цифровой сигнал или точно есть, или полностью отсутствует (или нуль, или единица).
2) Аналоговый сигнал доступен для восприятия всеми устройствами, работающими по тому же принципу, что и передатчик. Цифровой сигнал надежно защищен кодом, его трудно перехватить, если вам он не предназначается.


Помимо чисто аналоговых и чисто цифровых станций, существуют и радиостанции поддерживающие как аналоговый так и цифровой режим. Они предназначены для перехода с аналоговой на цифровую связь.
Итак имея в распоряжении парк аналоговых радиостанций, вы можете постепенно перейти на цифровой стандарт связи.
Например, изначально вы строили систему связи на Радиостанциях Байкал 30.
Напомню, что это аналоговая станция с 16 каналами.

Но идет время, и станция перестает устраивать Вас, как пользователя. Да, она надежная, да мощная, да с хорошим аккумулятором до 2600 мА/ч. Но при расширении парка радиостанций более чем на 100 человек, а особенно при работе в группах её 16 каналов начинает не хватать.
Вам совершенно не обязательно сразу бежать и покупать радиостанции цифрового стандарта. Большинство производителей, намеренно вводят модель с наличием аналогового режима передачи.
То есть вы можете поэтапно переходить на например Байкал -501 или Vertex-EVX531 сохраняя существующую систему связи в рабочем состоянии.

Плюсы такого перехода неоспоримы.
Вы получаете станцию работающую
1) дольше (в цифровом режиме меньше потребление.)
2) Имеющую большее количество функций (групповой вызов, одинокий работник)
3) 32 канала памяти.
То есть вы фактически создаете изначально 2 базы каналов. Под новые закупленные станции (цифровые каналы) и базу каналов содействия с существующими станциями (аналоговые каналы). Постепенно по мере закупки оборудования вы будете сокращать парк радиостанций второго банка и увеличивать – первого.
В конечном итоге вы достигнете поставленной задачи – перевести полностью вашу базу на цифровой стандарт связи.
Хорошим дополнением и расширением к любой базе может послужить цифровой ретранслятор Yaesu Fusion DR-1

Это двухдиапазонный (144/430MHz) ретранслятор, который поддерживает аналоговую FM связь, а также одновременно цифровой протокол System Fusion в пределах частотного диапазона 12.5кГц. Мы уверены, что внедрение новейшей DR-1X станет рассветом нашей новой и впечатляющей многофункциональной системы System Fusion.
Одной из ключевых возможностей System Fusion является функция AMS (автоматический выбор режима) , которая мгновенно распознает принимается ли сигнал в режиме V/D, режиме голосовой связи или режиме данных FR аналоговом FM или цифровом C4FM, и автоматически переключается на соответствующий. Таким образом, благодаря нашим цифровым трансиверам FT1DR и FTM-400DR System Fusion ,чтобы поддерживать связь с аналоговыми FM радиостанциями больше нет необходимости каждый раз вручную переключать режимы,.
На репитере DR-1X, AMS можно настроить так, чтобы входящий цифровой C4FM сигнал преобразовывался в аналоговый FM и ретранслировался, таким образом позволяя поддерживать связь между цифровым и аналоговым трансиверами. AMS также можно настроить на автоматическую ретрансляцию входящего режима на выход, позволяя цифровым и аналоговым пользователям совместно использовать один ретранслятор.
До сих пор, FM ретрансляторы использовались только для традиционной FM связи, а цифровые ретрансляторы только для цифровой. Однако, теперь просто заменив обычный аналоговый FM репитер на DR-1X, вы можете продолжать пользоваться обычной FM связью, а также использовать ретранслятор для более продвинутой цифровой радиосвязи System Fusion . Другие периферийные устройства, такие как дуплексер и усилитель и т.д. можно продолжать использоваться как обычно.

Более подробные характеристики оборудование можно увидеть на сайте в разделе продукция

ЦИФРОВЫЕ ИАНАЛОГОВЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

телекоммуникационные системы»

Москва Горячая линия – Телеком

ББК 32.883 Ц75

Рецензенты: Б. Я. Лихтциндер, Г. В. Мелик-Шахназарова

Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для Ц75 вузов/ В. И. Иванов, В. Н. Гордиенко, Г. Н. Попов и др.; Под ред. В. И. Иванова. - 2-е изд. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003.-232 с: ил.

ISВN 5-93517-116-3.

Рассматриваются основные принципы построения проводных и радиосистем передачи с частотным и временным разделением каналов. Излагаются вопросы построения оконечного оборудования, линейных трактов аналоговых, цифровых и оптических систем передачи.

Для студентов вузов связи.

Учебное издание

Иванов Вячеслав Ильич, Гордиенко Владимир Николаевич, Попов Григорий Николаевич и др.

ЦИФРОВЫЕ И АНАЛОГОВЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ Учебник Обложка художника В. Г. Ситни-

ЛР №071825 от 16.03.99 г.

Подписано в печать 15.12.02 Формат 60X88/16

Бумага офсетная №1. Гарнитура Лтез Ие\у Котап. Печать офсетная. Усл. печ. л. 14,5 Уч.-изд. л. 16,39 Тираж 2000 экз. Изд. №116

I8ВN 5-93517-116-3 © Иванов В. И., Гордиенко В. Н.,

Попов Г. Н. и др., 1995, 2003 © Оформление издательства «Горячая линия - Телеком», 2003

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ

За последние годы около тридцати вузов РФ открыли подготовку инженерных кадров по направлению 654400 «Телекоммуникации» и испытывают острую нехватку в обеспечении учебного процесса учебниками и учебными пособиями. Приведенный в учебнике «Цифровые и аналоговые системы передачи» материал в основном является базовым, а поэтому не теряет своей актуальности по мере развития средств телекоммуникаций. В книге уделено большое внимание цифровым системам передачи, работающим по проводным, спутниковым, радиорелейным и оптическим линиям связи. Материал учебного пособия соответствует основным требованиям нового Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования второго поколения, принятого в

Следует обратить внимание на то, что за прошедшие годы (первое издание вышло в свет в 1996 г.) произошли изменения в названиях некоторых вузов, сотрудники которых принимали участие в написании учебника, а именно: Новосибирский электротехнический институт связи (НЭИС) ныне называется Сибирским государственным университетом телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ), Поволжский институт информатики, радиотехники и связи (ПИИРС) - Поволжской государственной академией телекоммуникаций и информатики (ПГАТИ).

ВВЕДЕНИЕ

Средства общения между людьми (средства связи) непрерывно совершенствуются в соответствии с изменениями условий жизни, развитием культуры и техники. Сегодня средства связи стали неотъемлемой частью производственного процесса и нашего быта. Современные системы связи должны не только гарантировать быструю обработку и надежность передачи информации, но и обеспечивать выполнение этих условий наиболее экономи чным способом.

Информация передается по каналам связи (рис. 8.1).

Л и н и е й с в я з и называется среда распространения электромагнитных волн, используемая для передачи сигналов от передатчика (Пер) к приемнику (Пр). Такой средой могут быть воздушная, кабельная, радиорелейная линии связи, волноводы и т. д. Передатчик, линия связи и приемник образуют к а н а л связи. Источник сообщений, передатчик, линия связи, приемник и получатель сообщений образуют с и с т е м у связи.

Высокая стоимость линий связи обусловливает разработку систем и методов, позволяющих одновременно передавать по одной линии связи большое число независимых сообщений, т. е. использовать линию многократно. Такие системы передачи называются многоканальными. Связь, осуществля е- мую с помощью этих систем, принято называть многоканальной.

Основной задачей, которая решается при создании многоканальной связи, является увеличение дальности связи и числа каналов.

Рис. 8.1. Обобщенная схема канала связи

В истории развития телефонной связи можно выделить три этапа.

Первый этап характеризуется появлением электрической связи - созданием первого электромагнитного телеграфа, изобретенного в начале 1830-х гг. русским ученым П. Л. Шиллингом.

Задача увеличения дальности связи эффективно решена русским академиком Б. С. Якоби, предложившим в 1858 г. телеграфную трансляцию. В том же году было положено начало повышению эффективности использования линейных сооружений: русский инженер 3. Я. Слонимский изобрел дуплексное телеграфирование.

Первый вклад в технику многоканальной связи был сделан Г. И. Морозовым в 1869 г., предложившим способ одновременного телеграфирования по общей цепи с помощью токов различных частот.

Началом развития телефонной связи считается 1876 г., когда американец А. Белл предложил использовать для передачи речи па расстояние электр о- магнитный прибор, названный телефоном. В 1878 г. была разработана схема телефонного аппарата с угольным микрофоном. В этом же году Т. Эдисон предложил использовать в схеме передачи речи трансформатор, что обеспечивало двустороннюю передачу и большую дальность.

В 1880 г. Г. Г. Игнатьев создал схему для одновременного телеграфирования и телефонирования, основанную на разделении телеграфных и телефонных сигналов с помощью простейших электрических фильтров, т. е. был открыт принцип частотного разделения каналов. В это же время Пикар и Кайло предложили схемы для одновременного телеграфирования и телефонирования на основе применения принципа уравновешенного моста.

Хотя таким образом были созданы предпосылки для построения многоканальных систем связи, однако практически на первом этапе развития междугородной связи использовались отдельные телеграфные и телефонные цепи. Изучение свойств и опыт проектирования и строительства таких цепей позволили со временем перейти к практическому созданию многоканальных систем связи. Это стало возможным после развития методов радиотехники, изобретения электронных ламп и применения их для усиления, генерации переменных токов, модуляции и демодуляции, разработки теории и методов проектирования электрических фильтров, выравнивателей и других элементов.

Второй этап развития многоканальной связи начинается с создания дуплексных усилителей. В 1915 г. инженер, капитан русской армии В. И. Коваленков продемонстрировал макет ламповых телефонных трансляторов на Всероссийском съезде инженеров-электриков. Предложенная им идея двустороннего действия с дифференциальной системой соединения до сих пор остается основой построения дуплексных усилителей каналов тональной ча-

Глава 1. ПРИНЦИПЫ МНОГОКАНАЛЬНОЙ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ

1.1. СИГНАЛЫ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ

И ИХ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Задачей техники многоканальной связи является одноили двусторонняя" передача на большие расстояния различного рода информации. Все виды информации, передаваемые с помощью средств электрической связи, можно разделить на две группы: сообщения и данные.

К сообщениям относится информация, воспринимаемая ор ганами чувств одного или нескольких человек. Сообщениям свойственна так называемая избыточность, т. е. наличие в данной информации элементов, несущественных для правильного понимания ее содержания. Такие элементы могут быть отброшены без потери смысла передаваемой информации.

К данным относится информация, передаваемая в виде целесообразно выбранных символов, пригодных для машинной обработки, и бедная или не обладающая избыточностью.

Сообщения, передаваемые по каналам связи, преобразуются передатчиком (см. рис. В.1) в непрерывные (аналоговые) или дискретные (прерывистые) электрические сигналы или сигналы электросвязи (первичные сигналы). К последним относятся: телефонный, звукового вещания, факсимильный, телевизионный, телеграфный, передачи данных.

Телефонный (речевой) сигнал. Звуки речи образуются в результате прохождения воздушного потока из легких через голосовые связки и полости рта и носа. Частота импульсов основного тона 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), причем их амплитуды убывают с увеличением частоты со скоростью приблизительно 12 дБ на октаву. При разговоре частота основного тона меняется в значительных пределах. Высокое качество передачи телефонного сигнала характеризуется уровнем громкости, разборчивостью, естественным звучанием голоса, низким уровнем помех. Эти факторы определяют требования к телефонным каналам.

Основными характеристиками телефонного сигнала являются:

мощность телефонного сигнала РТЛ ф. Согласно данным МККТТ (Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии) средняя мощность телефонного сигнала в точке с нулевым

Рис. 1.1. Энергетический спектр

речевого сигнала

измерительным уровнем на интервале ак тивности составляет 88 мкВт. С учетом коэффициента активности (0,25) средняя мощность телефонного сигнала равна 22 мкВт. Кроме речевых сигналов в канал поступают сигналы управления, набора номера, вызова и т. д. С учетом этих сигналов среднюю мощность телефонного сигнала принимают равной 32 мкВт, что соответствует уровню рС р = -15 дБм0;

коэффициент активности телефонного сообщения, т. е. отношение времени, в течение которого мощность сигнала на выходе канала превышает заданное пороговое значение, к общему времени занятия канала для разговора. При разговоре каждый из собеседников говорит приблизительно 50% времени. Кроме того, отдельные слова, фразы отделяются паузами. Поэтому коэффициент активности составляет 0,25 ... 0,35;

динамический диапазон телефонного сигнала - десять десятичных логарифмов отношения максимальной мощности к минимальной (или разность

lg (p max /p min ) =р тах -р тin . Для телефонного сигналаD = 35... 40 дБ;

пик-фактор сигналаQ =10 lg (p max /p cp ) илиQ =p max - p cp ), который составляетQ = 14 дБ. При этом максимальная мощность, вероятность превышения ко-

торой исчезающе мала, равна 2220 мкВт (+ 3,5дБм0); энергетический спектр речевого сигнала - область частот, в которой сосре-

доточена основная энергия сигнала (рис. 1.1) β = 10 lg [П 2 (f) / П 0 2 ] . f , гдеП 2 (f)

Спектральная плотность среднего квадрата звукового давления;По - порог слышимости (минимальное звуковое давление, которое начинает ощущаться человекомс нормальным слухом на частотах 600... 800 Гц);f =1 Гц. Из рис. 1.1 следует, что речь представляет собой широкополосный процесс, частотный спектр которого простирается от 50... 100 до 8000 ... 10 000 Гц. Установлено, однако, что качество речи получается вполне удовлетворительным при ограничении спектра частотами 300 ... 3400 Гц. Эти частоты приняты МККТТ в качестве границ эффективного спектра речи. При указанной полосе частот слоговая разборчивость составляет около 90%, разборчивость фраз - более 99% и сохраняется удовлетворительная натуральность звучания;

где F = 3100 Гц - эффективная ширина спектра речи; Рp.cp = 88 мкВт - средняя мощность речевого сигнала на активных интервалах; т] = 0,25 - коэф-

фициент активности; Рш - допустимая невзвешенная мощность шума (178 000 пВт). Подставляя эти значения в (1.1), получаемI p = 8000 бит/с.

Сигналы звукового вещания. Источником звука при передаче программ вещания обычно являются музыкальные инструменты пли голос человека.

Динамический диапазон сигналов вещательной передачи следующий: речь диктора 25 ... 35 дБ, художественное чтение 40 ... ... 50 дБ, вокальные и инструментальные ансамбли 45 ... 55 дБ, симфонический оркестр до 65 дБ. При определении динамического диапазона максимальным считается уровень, вероятность превышения которого равна 2%, а минимальным-98%.

Средняя мощность сигнала вещания существенно зависит от интервала усреднения. В точке с нулевым измерительным уровнем средняя мощность составляет 923 мкВт при усреднении 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...

20000 Гц. При передаче 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.

Количество информации сигналов вещания, определяемое по (1.1), при

F = 10000 Гц, РСР = 923 мкВт и Рп = 4000 пВт составляетI вещ = 180 000 бит/с.Факсимильный сигнал. Факсимильной связью называется передача непод-

вижных изображений (рисунков, чертежей, фотографий, газетных полос и т. д.) по каналам электрической связи. Первичные факсимильные сигналы получают в результате электрооптического анализа, заключающегося в преобразовании светового потока, отражаемого элементарными площадками изображения, в электрические сигналы. В приемнике полученный электрический сигнал возбуждает какое-либо физическое воздействие, окрашивающее элементарные площади носителя записи, в результате чего получается копия передаваемого изображения.

Бланк с передаваемым изображением накладывается на бара бан (Б) передающего факсимильного аппарата (рис. 1.2).,На поверхность изображения проектируется яркое световое пятно, перемещающееся вдоль оси барабана. При вращении последнего под действием мотора (М) световое пятно по винтовой линии обегает его поверхность, осуществляя развертку изображения.