Рекомендації з вивчення матеріалу дисципліни.

Вивчення теми 1.

При вивченнітеми 1 слід звернути увагу на такі основні визначення, поняття та теоретичні положення.

Основні поняття та визначення.

Інформація– сукупність відомостей про об’єкти, події, процеси, явища, які представляють інтерес для деякого суб’єкта предметної діяльності та розглядаються з позиції передачі їх у просторі або (та у) часі. Вона породжується там, де є невизначеність. Джерела і отримувачі інформації: люди або технічні засоби, ЕОМ тощо.

Повідомлення - інформація, яка представлена у певній формі (звуки, текст, символи, зображення, ...). Множина усіх можливих повідомлень разом із заданим на ній розподілом ймовірностей або щільностей розподілу ймовірностей миттєвих значень зветься ансамблем повідомлень.

Джерело інформації (повідомлень) – об’єкт або пристрій (у технічних інформаційних системах), який здійснює вибір повідомлення із ансамблю повідомлень. В залежності від кількості можливих станів джерела бувають дискретнимиабобезперервними. Удискретного джерела кількість станів кінцева, а у безперервного нескінченна. Відповідно і повідомлення буде дискретнимабобезперервним.

У телекомунікаційних системах для обробки, зберігання та передачі повідомлень неелектричного походження їх попередньо перетворюють в електричні сигнали, які називають у такому разі первинними сигналами. Цю функцію виконує перетворювач. Прикладом перетворювача може бути мікрофон при передачі звукового повідомлення.

У системах зв’язку первинний сигнал (наприклад, напругу u(t) на виході мікрофону) ототожнюють з повідомленням.

Повідомлення, що підлягає передачі, є або випадковою величиною, або випадковим процесом. Детерміновані повідомлення не містять інформації. Передавати їх нема смислу.

Для передачі повідомлень від джерела до отримувача у просторі (або у часі) використовують, відповідно, фізичні процеси або речовини.

Найпоширенішими фізичними процесами, що використовуються для передачі повідомлень, є електричні коливання та електромагнітні хвилі. (У деяких системах можуть використовуватись акустичні хвилі, сейсмічні хвилі, потоки часток та інші процеси).

Фізичний процес, параметр(и) якого однозначно відображає(ють) повідомлення, називають сигналом. Фізичний (речовинний) об’єкт, параметр(и) якого однозначно відображає(ють) повідомлення, називають носієм інформації. Ці параметри сигналу або об’єкту називають інформаційними. Решта параметрів є неінформаційними.

Відповідно до того, що сигнал містить у собі повідомлення, тобто інформацію, його інформаційні параметри, як і повідомлення, слід розглядати у якості випадкового процесу.

На всіх етапах обробки, зберігання та передачі інформації поряд з корисним сигналом присутні завади того чи іншого виду. За структурою вони є випадковими процесами. За характером взаємодії з сигналом бувають адитивними (такими, що додаються до сигналу) та мультиплікативними (завада виступає множником до сигналу). У реальних системах практично присутні обидва види завад.

Випадкові процеси, а значить і сигнали, і повідомлення, і завади можуть бути:

безперервними (аналоговими)- безперервними за рівнем і часом (або іншим аргументом);

дискретизованими - безперервними за рівнем і дискретними за часом(або іншим аргументом);

квантованими - дискретними за рівнем і безперервними за часом(або іншим аргументом);

дискретними - квантованими за рівнем і дискретними за часом (або іншим аргументом).

У сучасних системах обробки та передачі інформації аналогові повідомлення часто представляють у дискретній формі. (Процедура такого перетворення буде розглянута нижче)

Процес перетворення дискретного повідомлення (заданого набору символів) у комбінацію кодових символів, який здійснюється за певним правилом, зветься кодуванням(у вузькому розумінні). У широкому розумінні кодування - будь-яке перетворення повідомлення у сигнал шляхом встановлення взаємної відповідності.

Множина всіх кодових послідовностей (кодових комбінацій), які можливі при певному правилі кодування, утворює код.

Сукупність символів, які використовують для формування кодових послідовностей, називають кодовим алфавітом, а їх число m – основою коду. Загальна кількість символів (розрядів) у кодовій комбінації (n) називають довжиною коду (значністю або розрядністю). Кількість символів у кожній кодовій комбінації може бути однаковою (рівномірний код) або різною (нерівномірний код). Кількість кодових комбінацій, яку можна утворити при основі m і розрядності n, звуть потужністю коду N_код = mⁿ.

Для однозначного представлення певної кількості повідомлень N_пов необхідно виконати умову N_пов ≤ mⁿ. При введенні даних в системах передачі та оброблення інформації застосовують первинні коди, для яких виконується умова m^n-1 ≤ N_пов ≤ mⁿ.

Прагнуть, щоб код дозволяв представляти повідомлення комбінаціями з мінімальним числом розрядів. Такий код зветься економним.

Наприклад, якщо деякий алфавіт складається з 32 літер, то при передачі їх двійковим телеграфним кодом літери можна закодувати п’ятизначними двійковими числами. (в цьому разі будуть використані всі можливі 32 комбінації). Подібні коди називають також рівнодоступними. (Удеяких джерелах їх називають простими або примітивними).

Але урівнодоступному коді зміна (з будь-яких причин, наприклад, із-за завад) лише одного символу веде до помилкового прийому повідомлення (у наведеному вище прикладі - літери). Тому при передачі по каналу все частіше застосовуються завадостійкі коди. У таких кодах використовують не всі можливі комбінації, а лише їх частину. Вони звуться дозволеними, а решта – забороненими кодовими комбінаціями. Завдяки цьому можна виявляти і навіть виправляти помилки у прийнятих комбінаціях, що веде до підвищення достовірності передачі.

Первинне кодування здійснює кодер джерела(наприклад, при передачі у дискретному виді безперервного повідомлення цей пристрій зветься аналогово-цифровий перетворювач; він здійснює як дискретизацію аналогового первинного сигналу, так і первинне кодування). Завадостійке кодування здійснює кодер каналу.

Для передачі первинних сигналів або сформованих кодером кодових комбінацій по кабельним лініям зв’язку або радіоканалам використовують носії - коливання порівняно високої частоти (частіше це синусоїдальні коливання). Самі високочастотні коливання не містять інформації. Для того, щоб вони змогли її переносити, здійснюють операцію модуляції, яка полягає у зміні одного або декількох параметрів носія за законом повідомлення, що передається (первинного безперервного сигналу або імпульсної послідовності з виходу кодера джерела чи кодера каналу). Такими параметрами частіше усього бувають фаза (Ф), частота (Ч), амплітуда (А). Відповідні види модуляції позначають ФМ, ЧМ, АМ. У випадку, коли повідомлення дискретне і параметр приймає кінцеву кількість значень, зазначену операція називають маніпуляцією. Пристрій, що здійснює таку операцію зветься модулятором. Він формує сигнал у зазначеному вище розумінні, тобто, - фізичний процес, параметр(и) якого однозначно відображає(ють) повідомлення.

У загальному випадку зазначені перетворення при передачі можна описати за допомогою деякого оператора U, такого, що

S(t)= U , (3)

де S(t) – модульований сигнал,

u(t) – функція, що описує повідомлення,

f(t) – сигнал-носій.

В результаті модуляції спектр функції u(t) переноситьсяу область частот поблизу частоти високочастотного носія. При цьому спектральні складові інформаційного процесу розташовуються симетрично відносно частоти високочастотного носія. Це означає, що ширина спектру Δf_s сигналу S(t) буде ширшою за ширину спектру інформаційного процесу Δf_u не менше ніж у двічи.

У лінії зв’язку обов’язково присутні завади. Їх дія враховується оператором V_з, таким, що

x(t)= V_з , (4)

де x(t) - сигнал на вході приймача,

n(t) - завада.

У найпростішому випадку завада адитивна, тобто

x(t)= s(t) + n(t). (5)

Завада, що діє на сигнал як множник, називається мультиплікативною:

x(t)= (t) s(t). (6)

Найпоширенішою адитивною завадою є білий гаусівський шум (БГШ) – завада, у якої спектральна щільність потужності N₀ є рівномірною у всій смузі частот, миттєві значення розподілені за гаусовським (нормальним) законом з нульовим математичним сподіванням, а автокореляційна функція має вигляд дельта-функції.

У приймальному пристрої здійснюється виділення повідомлення, що передане, з прийнятої суміші x(t).

Дія приймача описується оператором W, таким, що

(t)= W , (7)

де (t)- відновлений первинний сигнал ( (t) дещо відрізняється від переданого u(t) із-за впливу завад).

У загальному випадку для отримання (t) треба здійснити дві операції: демодуляціюі декодування. Відповідні пристрої називаються демодулятором і декодером. У сучасних системах останній, як правило, складається з декодера каналу та декодера джерела. Декодер каналу здійснює декодування завадостійкого коду з метою виявлення або виправлення помилок у кодових комбінаціях, а декодер джерела декодує комбінацію первинного коду у первинний сигнал.

Сукупність модулятора і демодулятора зветься модемом, а сукупність кодера і декодера – кодеком.

Для представлення повідомлення у зручному для отримувача вигляді здійснюють зворотне перетворення сигналу (t) у процес бажаної фізичної природи. Виконує цю функцію зворотній перетворювач.

Відповідно до сказаного типова структурна схема сучасної системи передачі інформації (наприклад, системи передачі аналогових повідомлень у цифровому форматі по супутниковому каналу) може виглядати так (рис 1).

Рис. 1 Структурна схема системи передачі інформації

На рисунку позначено:

ДІ – джерело інформації;

П – перетворювач;

КД – кодер джерела;

КК – кодер каналу;

Ш – шифратор (входить до складу системи при застосуванні криптографічних методів захисту інформації);

М – модулятор;

КЗв – канал зв’язку;

ДМ – демодулятор;

ДШ – дешифратор (входить до складу системи при застосуванні криптографічних методів захисту інформації);

ДКД – декодер джерела;

ЗвП – зворотній перетворювач;

ОІ – отримувач інформації;

n(t) джерело завади (завад).

При здійсненні двостороннього зв’язку у зворотному напрямі виконують аналогічні процедури за допомогою відповідних пристроїв.

Класифікацію систем передачі інформації та їх основні характеристики вивчити за [1, п. 1.4, 1.5].