Как известно, речь основана на использовании звуковых колебаний. Колебательные движения частиц упругой среды - воздуха, вызывающие слуховое ощущение, называют звуком. Процесс распространения звуковых колебаний принято называть звукобой волной, а пространство, в котором распространяются звуковые волны, - звуковым полем.
В телефонной аппаратуре воспроизведение звуков обусловлено колебательным движением определенных деталей. Так, звучание телефона происходит вследствие колебаний его мембраны. Она создает колебания воздуха, которые и воспринимает наше ухо.
Звуковые колебания, возникнув в какой-либо точке среды, распространяются во всех направлениях от источника звука. Скорость распро- i ранения звуковых колебаний в воздухе при нормальном атмосферном давлении и температуре 20 °С - 343 м/с, причем она изменяется в зависимости от влажности и температуры воздуха.
При распространении звуковых колебаний в каждой точке звуковой волны создается определенное изменение давления воздуха, которое назы- вается звуковым. Временная зависимость изменения давления по форме аналогична временной зависимости движения, создающего звук объекта (например, голосовых связок человека). По звуковому давлению можно судить о силе звука. Звуковое давление в Международной системе единиц выражается в паскалях (Па).
Звуковая волна в каждой точке поля характеризуется определенной интенсивностью (силой звука), под которой понимают энергию звуковой волны, проходящей за 1 с через площадь 1 м2, расположенную перпенди
кулярно направлению распространения волны. Интенсивность звука выражается в ваттах на квадратный метр (Вт/м").
Простейшим колебанием является равномерное гармоническое (или синусоидальное) колебание (рис. 2.2), которое принято характеризовать амплитудой А, периодом Т и частотой f.
Наибольшее отклонение, которого достигает колеблющееся тело за период колебания (считая от положения равновесия), называется амплитудой колебания. Чем больше амплитуда, тем больше звуковое давление и сильнее звук. Синусоидальный сигнал дважды дает амплитудное значение - на положительном и отрицательном полупериоде.
Звуковая волна, встречая на своем пути тело, способное колебаться, приводит его в колебательное движение. Так, достигая ушной раковины человека, звуковая волна приводит в колебание систему органа слуха, которая передает эти колебания в кору большого полушария головного мозга, где они и создают ощущение звука.
Различают три элемента слухового восприятия; высоту (тон), громкость и тембр звука. Высота звука зависит от частоты звукового колебания, с возрастанием которой увеличивается высота звука. При высоких частотах ухо человека теряет способность воспринимать звуковые колебания. Громкость звука является количественной характеристикой слухового ощущения и зависит от звукового давления. Звуковое колебание при частоте, когда громкость минимальна и звук едва слышен, называется порогом слышимости. Верхний предел восприятия интенсивности звука называют порогом болевого ощущения.
Областью слухового восприятия (рис. 2.3) называется область звуковых колебаний, заключенная между частотными характеристиками порога слышимости (кривая 1) и порога болевого ощущения (кривая 2). Тембр определяется наличием в звуковых колебаниях, кроме колебаний основной частоты, дополнительных колебаний с иными частотами.
Каждый звук голоса человека является сложным колебанием, состоящим из ряда простых колебаний, различных по частоте и силе, по характеризующихся частотой основного колебания (тона). Частота импульсов основного тона речи лежит в пределах от 50...80 Гц (очень низкий голос — бас) до 200...250 Гц (женский и детский голоса). Сложные сигналы основного тона содержат более 40 гармоник, амплитуда которых убывает с ростом частоты. При разговоре частота первой гармоники основного тона меняется в значительных пределах, особенно при переходе от гласных 3bvков к согласным и наоборот.
Диаграмма области слухового восприятия
Слышимые звуки субъективно оцениваются человеком по громкости, зависящей от силы, частоты и индивидуальных особенностей слуха. Отождествлять понятия «громкость» и «сила звука» нельзя, так как физиологическая особенность слуха такова, что ощущение громкости возрастает во много раз медленнее, чем фактическая сила звука.
В системах телефонной связи учитывают адаптацию слуха и маскировку звуков. Адаптацией слуха (приспособляемостью) называется свойство уха менять во времени порог слышимости в зависимости от уровня внешнего звукового воздействия, причем значительное звуковое воздейст- м с повышает порог слышимости, который восстанавливается после прекращения воздействия внешнего звука через единицы или десятки секунд. Явление ослабления слышимости полезного звука на фоне одновременно воздействующего меняющегося звука называется маскировкой звуков. В результате маскировки порог слышимости повышается.
В телефонии приходится сталкиваться со сложными звуковыми колебаниями, состоящими из большего или меньшего числа простых колебаний Звуки речи образуются в результате прохождения воздушного потока и из легких человека через голосовые связки и полости рта и носа.
Звуки речи представляют собой непериодическую функцию, кото- р, о можно разложить в ряд Фурье и рассматривать как периодические колебания в спектре частот от 80 до 12 000 Гц. Ухо человека может воспринимать звуковые колебания с частотой 16...20 000 Гц.
В процессе разговора происходит усиление отдельных областей частот, гак называемых формант, которыми определяется разборчивость речи. Большинство формант расположено в полосе частот 300---3 400 Гц. Эта часть спектра, получившая название эффективно передаваемой полосы частот, рекомендована Международным консультативным комитетом по телефонии и телеграфии (МККТТ) для телефонной передачи и является стандартом для всех телефонных линий.
Средняя мощность телефонного сигнала на так называемых интервалах активности (в отсутствие длительных пауз) составляет 88 мкВт. Однако в речи 75 % времени занимают паузы, поэтому средняя мощность телефонного сигнала, измеренная в час наибольшей нагрузки (ЧНН), с учетом сигналов управления - набора номера, сигнала вызова и так далее составляет 32 мкВт. Максимальная мощность телефонного сигнала, вероятность превышения которой исчсзающе мала, равна 2 220 мкВт, а минимальная мощность сигнала, который еще слышен на фоне шумов, принята равной 0,22 мкВт,
Пик-фактором речевого сигнала называют отношение его максимальной мощности к средней. В логарифмических единицах пик-фактор речи равен
Диапазон изменения мощности звуков речи, как правило, выражают в логарифмическом масштабе, измеряют в децибелах (дБ) и называют динамическим диапазоном речевого сигнала:
Влияние шумов на качество телефонной связи характеризуется следующими данными: при мощности 0.017 8 мкВт шумы едва различимы; при мощности 0,178 мкВт разборчивость речи еще достаточна; при мощности 1,78 мкВт разборчивость речи затруднена и качество связи неудовлетворительно.
Важной характеристикой любого сигнала является количество информации. переносимой им в единицу времени, т. е. его информационная емкость, измеряемая в бит/с. Для непрерывного (аналогового) сигнала количество информации определяется как
где - ∆F - ширина спектра сигнала: Рср - средняя мощность сигнала: Рш-мощность шумов,
При условии, что ширина спектра речи составляет 3 100 Гц, средняя мощность речевого сигнала на интервалах активности - 88 мкВт, допустимая мощность шума - 0.117 8 мкВт и при этом 75 % времени в речи составляют паузы, то количество информации в речевом сигнале 7= 8 000 бит/с.
2.2.2Сигналы звукового вешания
Источником звука при передаче программ вещания обычно являются музыкальные инструменты или голос человека.
Динамический диапазон сигналов вещательной передачи составляет от 30 до 70 дБ. Средняя мощность сигнала вещания существенно зависит от уровня усреднения. В точке с нулевым измерительным уровнем (т. е. при наличии длительных пауз) средняя мощность составляет 923 мкВт при усреднении за час, 2 230 мкВт - за минуту и 4 500 мкВт - за секунду. Максимальная мощность вещания составляет 8 000 мкВт.
Частотный спектр сигнала вещания расположен в полосе частот от до 20 000 Гц. При передаче как телефонного сигнала, так и сигналов вещания полоса пропускания ограничивается. Для достаточно высокого качества (каналы вешания 1-го класса) эффективная полоса составляет 50 ..10 000 Гц.
2.2.3Факсимильный сигнал
Факсимильной связью называется передача неподвижных изображений (рисунков, чертежей, фотографий, газетных полос и пр.) по каналам электросвязи [3; 4]. Факсимильные сигналы получают в результате элек- трооптического анализа, заключающегося в преобразовании светового потока, отражаемого элементарными площадками изображения в электрические сигналы. В приемнике полученный электрический сигнал возбуждает некоторое физическое воздействие, окрашивающее элементарные площадки носителя записи, в результате чего получается копия передаваемого изображения.
Частотный спектр первичного факсимильного сигнала определяется требуемым качеством передачи изображения (разрешающей способностью, скоростью развертки) и может составлять 732, 1 100, 1 465 Гц для стандартных скоростей разверток. Динамический диапазон составляет примерно 25 дБ, пик-фактор 4,5 дБ при 16 градациях яркости.
Количество информации для полутонового изображения с 16 градациями яркости составляет около 12 кбит/с.
2.2.4Телевизионный сигнал
Для передачи подвижных (динамических) изображений широко используется телевизионный сигнал, состоящий из отдельных кадров. В телевидении, как и при факсимильной связи, первичный сигнал формируется методом развертки. Спектр телевизионного сигнала (видеосигнала) зависит от характера передаваемого изображения, но его структура в основном определяется разверткой. Энергетический спектр телевизионного сигнала сосредоточен в полосе частот 0...6 МГц. Динамический диапазон телевизионного сигнала состав, ляет 40 дБ, пик-фактор - 4,8 дБ, а информативность - 80 Мбит/с.
2.2.5 Телеграфные сигналы и сигналы передачи данных
Первичные телеграфные сигналы и сигналы передачи данных имеют вид последовательных однополярных или двухполярных импульсов (рис. 2.4. Длительность импульсов определяется скоростью передачи, измеряемой в бодах. Тогда величина Fj = 1 /tи называется тактовой частотой, которая численно равна скорости передачи. Сигналы постоянного тока (одно- и двух полюсные) применяют при передаче сообщений на сравнительно короткие расстояния (как правило, не превышающие 300...400 км) по кабельные и воздушным линиям
(физическим цепям). На магистральных линиях передачу ведут двоичными сигналами переменного тока (рис. 2.5), обычно модулированными по
частоте, а в качестве линий используют преимущественно телефонные каналы. Это позволяет получать в одном телеграфном канале до 44 независимых каналов. Для этого применяется аппаратура тонального телеграфирования.
Для дискретного сигнала, которым являются телетрафные сигналы и сигналы передачи данных, количество информации определяется как
J = FT- log2 N,
где Ff — тактовая частота, N- число уровней логического сигнала. Для двухуровнего сигнала количество информации J = Ft.
2.3 | Сети электросвязи
Связь между абонентными устройствами осуществляется с помощью узлов коммутации, в которых информация концентрируется, а затем направляется по определенным путям. Для этого узлы коммутации соединяются между собой линейными сооружениями (соединительными линиями), в которые входят системы каналообразующего оборудования, организующие необходимые пучки каналов по кабельным, радиорелейным и спутниковым линиям связи. Совокупность узлов коммутации оконечных абонентских устройств и соединяющих их каналов и линий называют сетью связи.
Действующие средства связи в нашей стране объединены в Единую автоматизированную сеть связи (ЕАСС). Сеть ЕАСС предназначена для передачи различных видов информации: телефонных и телеграфных сообщений, программ звукового вещания и телевидения, передачи газет, . iaHHbix и фототелеграмм. Она объединяет в одно целое средства электрической связи всех ведомств и министерств (кабельные, радиорелейные, оптические, воздушные, радиолинии, ионосферные линии и каналы, создаваемые через искусственный спутник Земли). Направляя их развитие по единому плану, а также все сети магистральной, зоновой (областной), сельской и городской связи, обеспечивая их развитие в едином автоматизированном комплексе с единой нумерацией и коммутацией.
В инженерном отношении сеть представляет собой широко разветвленную сеть каналов связи с большой пропускной способностью и высоко;: верностью передачи информации. Сеть базируется на целесообразно размещенных по стране узлах автоматической коммутации, соединенных между собой большими пучками каналов. Она включает электронно-вычислительный центр, где информация обобщается и систематизируется (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Система электросвязи
Составными частями сети являются следующие:
- автоматическая телефонная сеть (ТФ);
- телеграфная сеть (ТГ);
- сеть передачи данных (ПД);
- сеть звукового вещания (ЗВ);
- сеть факсимильной связи (ФСК); компьютерная сеть (ВТ);
- сеть телевизионного вешания (ТВ); ведомственные сети и др.
Сети связи бывают коммутируемыми и некоммутируемыми. Се называется коммутируемой, если тракт передачи информации создается п запросу абонента на время передачи сообщения, и некоммутируемой, к гда тракт передачи обеспечивается постоянным соединением между опр деленными абонентами, и нет необходимости в коммутации.
Сеть ЕАСС подразделяется на первичную и вторичную. Первичн
сеть представляет собой совокупность всех типовых каналов связи и гpyпповых трактов без подразделения по назначению и видам, а вторичная сеть состоит из каналов определенного назначения (телефонных, телеграфных, вещания телевидения, передачи газет и др.). Первичная сеть является единой для всех потребителей каналов и представляет собой базу для вторичных. Первичная сеть ЕАСС охватывает всю территорию страны и по территориальному признаку подразделяется на магистральные и зоновые первичные сети (рис. 2.7).
Рис. 2.7. Построение сети: а - магистральной; б - зоновой
Зоновая сеть организуется в пределах одной-двух областей (или рес пуолик, краев). Она подразделяется на внутризоновую и местную Внутри зоновая связь соединяет областной (республиканский, краевой) центр с рай онами. Местная связь включает сельскую связь (райцентр с колхозами совхозами и рабочими поселками) и городскую связь. Магистральная сеть соединяет Москву с центрами зон (областей, республик, краев), а также зоны между собой (рис. 2.7, а). Внутриобластная (внутризоновая) сеть яв- (яется сстыо областного, краевого или республиканского (в республиках без областного деления) значения, Эта сеть обеспечивает связью областной. краевой или республиканский центр со своими городами и районными центрами и последние между собой, а также выход их на магистральную сеть (рис. 2.7, б).
Наиболее разветвленной вторичной сетью является Общегосударственная автоматическая коммутируемая телефонная сеть (ОАКТС). Она представляет собой совокупность автоматических телефонных станций, узлов коммутаций каналов, линий телефонной сети и оконечных абонентских устройств. Эта сеть предназначена для удовлетворения потребностей населения, учреждений и организаций в передаче телефонных сообщений в пределах страны.
Сеть ОАКТС строится по принципам, которые зависят от построения первичной сети Вся территория страны разделена на зоны. Зона - это часть территории, на которой все абоненты телефонной сети охватываются единой семизначной нумерацией. Территория зоны, как правило, совпадает с территорией административной области, края или республики, не имеющей областного деления.
Зоновая телефонная сеть состоит из множества местных телефонных сетей, расположенных на территории зоны. Местные телефонные сети разделяются на городские (ГТС), обслуживающие город и ближайшие пригороды. и сельские (СТС), обеспечивающие связь в пределах сельского административного района. Существует также учрежденско-производственная автоматическая телефонная сеть (УПАТС), которая служит для внутренней связи предприятий, учреждений, организаций. Она нередко соединена с телефонной сетью общего пользования (ТФОП), но может быть и автономной.