Понятие об информации, сообщении, сигнале

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Понятие об информации, сообщении, сигнале

Передача сообщений из одного пункта в другой составляет основную задачу теории и техники связи. Жизнь современного общества немыслима без широко разветвлённых систем передачи информации. Без них не может функционировать ни одна отрасль промышленности современного государства. Примерами могут служить системы телефонной и телеграфной связи, радиовещание, телевидение, радиосвязь, системы спутниковой связи, современные локальные, глобальные и интегрированные сети связи (типа электронной почты, Internet) и другие. При этом хранение, обработка и передача информации может иметь место и без использования специальных технических средств. Обычный разговор представляет собой обмен информацией. Всякая книга является хранилищем информации. Генетическая информация, записанная в структуре хромосом клетки, передаётся при её делении и управляет программой развития живого организма. Все вопросы, связанные с передачей информации в природе и обществе охватывает современная теория передачи сигналов. С позиций этой теории мы и будем рассматривать и знакомиться с современными системами и сетями связи.

Основополагающими понятиями теории передачи сигналов являются информация, сообщение и сигнал. В общем случае под информацией понимают совокупность сведений о каких-либо событиях, явлениях или предметах. Для передачи или хранения информации используются различные знаки, позволяющие представить её в той или иной форме. Этими знаками могут быть, например, слова и фразы человеческой речи, жесты, рисунки, форма колебаний, математические символы и другие. Совокупность знаков, содержащих ту или иную информацию, называют сообщением. Так, при телеграфной передаче сообщением является текст телеграммы, т.е. последовательность знаков – букв и цифр. При разговоре по телефону сообщением является непрерывное изменение во времени звукового давления, отражающее не только содержание, но и тембр, ритм и другие свойства речи конкретного человека.

Передача сообщений на расстояние осуществляется с помощью какого-либо материального носителя (бумага, дискета) или физического процесса (звуковые, электромагнитные волны, ток, напряжение и т.д.). Физический процесс, отображающий (несущий) сообщение, называется сигналом.

В качестве сигнала может быть использован любой физический процесс, изменяющийся в соответствии с переносимым сообщением. Сигналы формируются путём изменения выбранных параметров физического носителя по закону передаваемых сообщений. Такой процесс изменения параметров носителя называют модуляцией. Сообщение может быть функцией времени (речь, телевизионные сообщения), а может и не быть таковой (текст телеграммы, неподвижное изображение). Сигнал является всегда функцией времени, даже если сообщение таковым не является. Если сигнал представляет собой функцию времени U(t), принимающую только определённые дискретные значения U_i (i=1,…,n), то его называют дискретным по состояниям. Если сигнал U(t) может принимать любые значение из некоторого интервала, то его называют непрерывным по состояниям (аналоговым). Аналогично, если сигнал задаётся на всей оси времени t, то он называется непрерывным во времени, а если сигнал задаётся только в определённые моменты времени t_i (i=1,…,n), то такой сигнал является дискретным по времени. Таким образом, основные виды сигналов, передаваемых по сетям связи можно представить, как показано на рисунке 1.1.

Рис. 1.1.

Например, речь – сигнал непрерывный по времени и по состояниям. Состояния (показания) датчика температуры через каждые 10 минут – сигнал непрерывный по состояниям и дискретный по времени.

Если бы передаваемое сообщение было заранее известным с полной достоверностью, т.е. детерминированным, то его передача не имела бы смысла. Такое детерминированное сообщение не содержит информации. Аналогично и детерминированный сигнал не может быть переносчиком информации. Поэтому в технике связи сообщение и сигнал рассматриваются как случайная функция или случайный процесс, протекающий во времени, а его основными параметрами считаются: длительность сигнала Т_С, динамический диапазон Н_С и ширина спектра F_C.

Длительность сигнала Т_С определяет интервал времени, в пределах которого сигнал существует.

Динамический диапазон Н_С определяет отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к той наименьшей мощности, которую необходимо отличать от нуля при заданном качестве передачи. Он измеряется в децибелах.

Ширина спектра F_C даёт представление о скорости изменения сигнала внутри интервала его существования. Ширина спектра определяет диапазон частот, в пределах которого сосредоточена основная энергия сигнала. Например, при телефонной связи требуется, чтобы речь была разборчива и чтобы корреспонденты могли узнать друг друга по голосу. Чтобы это обеспечивалось, спектр речевого сигнала можно ограничить полосой частот от 300 Гц до 3400 Гц. Обобщённая характеристика сигнала - это его объём, определяемый по формуле (1).

V_C=Т_С×F_C×Н_С. (1)

Рассмотрим теперь обобщённую структурную схему системы связи, представленную на рисунке 1.2.

Рис. 1.2,

где ИС – источник сообщения,

ЛС – линия связи,

ИП – источник помех,

ПС – получатель сообщения,

К – кодер,

М – модулятор,

ДК – декодер,

ДМ – демодулятор,

A(t) – исходное сообщение,

B(t) – первичный сигнал,

N(t) – сигнал помех,

B’(t) – кодированный сигнал,

U(t) – вторичный сигнал, отправленный по ЛС,

Z(t) – сигнал, принятый по ЛС,

’(t) – демодулированный сигнал,

(t) – декодированный сигнал,

Ã(t) – конечное сообщение.

Источником сообщений (ИС) и получателем сообщений (ПС) в различных системах связи могут быть человек или техническое устройство.

Передающее устройство осуществляет преобразование сообщения А(t) в сигнал U(t), а приёмное устройство преобразует принятый по линии связи сигнал Z(t) обратно в сообщение Ã(t).

С помощью преобразователя в предающем устройстве сообщение А(t), которое может иметь любую физическую природу – звуковые колебания, изображения, преобразуется в первичный электрический сигнал или в первичный код B(t) (чаще всего НЧ). Это преобразование обычно производится с учётом только физических и статистических особенностей источника, поэтому такой преобразователь называют ещё кодером источника. Далее первичный сигнал B(t) преобразуется во вторичный сигнал U(t), пригодный для передачи по используемой линии связи. При этом наиболее полно учитываются характеристики линии связи, и устройство преобразования называют кодером канала или линии связи. Кодер канала включает кодер К первичного сигнала и модулятор М и преобразует первичный НЧ сигнал B(t) в ВЧ сигнал U(t), обладающий помехоустойчивостью и учитывающий характеристики используемой линии связи. После передачи сигнала U(t) по линии связи происходит обратное преобразование принятого сигнала Z(t) – демодуляция, декодирование и преобразование декодированного сигнала (t) в сообщение Ã(t) для приёмника сообщений.

Канал передачи информации

Часть рассмотренной системы связи, включающая модулятор (модем источника), линию связи и демодулятор (модем приёмника) называют каналом связи или каналом передачи информации. Структурная схема канала связи показана на рисунке 1.3.

Рис. 1.3.

Каналы связи классифицируют по различным признакам: по назначению, по характеру линии связи, по диапазону частот, по характерам сигналов на входе и выходе канала и по другим. По назначению каналы делятся на телефонные, телеграфные, телевизионные, фототелеграфные, звукового вещания, телеметрические, смешанные и др. В зависимости от того, распространяются ли сигналы в свободном пространстве или по направляющим линиям, выделяют каналы радиосвязи и проводной связи (воздушные и кабельные линии, волноводные СВЧ тракты и др.).

По линиям воздушной связи передают сигналы от 0 Гц до 160 КГц. По кабельным линиям, менее подверженные влиянию помех, передают сигналы в диапазоне от 600 КГц до 60 МГц. Металлические волноводы позволяют передавать сигналы в диапазоне от 35 ГГц до 80 ГГц. Ещё более перспективны оптические световоды, по которым передаются сигналы в диапазоне частот от 600000 ГГц до 900000 ГГц (0,5–0,3 мкм). Наряду с проводными линиями связи широкое применение получили радиоканалы в различных диапазонах частот. Эти линии во многих случаях более экономичны, позволяют быстро организовать сверхдальнюю связь без промежуточных станций и являются единственным средством связи с подвижными объектами. Наибольшее распространение для передачи многоканальных сообщений получили наземные радиорелейные линии, работающие в диапазоне частот от 60 МГц до 15 ГГц (МВ, ДВ и УКВ диапазоны).

Разновидностью радиорелейных линий связи являются тропосферные, в которых принимаются сигналы, отражённые от неоднородностей тропосферы. С использованием этих линий создаются каналы дальней радиосвязи с расстоянием между ретрансляционными станциями в несколько сотен километров. Эти линии работают в диапазоне частот от 0,5 ГГц до 6 ГГц.

Спутниковые линии связи являются разновидностью радиорелейных, ретрансляторы которых находятся на искусственных спутниках Земли. Их преимуществом является большая дальность связи, которая при одном спутнике-ретрансляторе достигает 10000 км. При использовании системы спутников можно организовать связь между любыми точками Земли.

В зависимости от характера сигналов на входе и выходе каналы связи могут быть:

- дискретными, если сигналы B’(t) и ’(t) на входе и выходе канала являются дискретными;

- непрерывными, если входные и выходные сигналы B’(t) и ’(t) непрерывны;

- дискретно-непрерывными, если на вход подаются дискретные сигналы, а с выхода снимаются непрерывные;

- непрерывно-дискретными если на вход подаются непрерывные сигналы, а с выхода снимаются дискретные.

То есть в общем случае канал может быть дискретным или непрерывным независимо от вида передаваемых сообщений.

Для современных систем передачи информации характерен переход на все более высокие частоты. Это происходит по следующим причинам:

- на высоких частотах можно получить остронаправленное излучение при малых размерах антенн;

- в высокочастотном диапазоне меньше влияние атмосферных и промышленных помех;

- с повышением несущей частоты, увеличивается число каналов связи, которые можно организовать без взаимных помех;

- только в высокочастотном диапазоне, начиная с метрового (30 МГц-300 МГц), можно организовать большое число широкополосных каналов, например, каналы телевидения и видеотелефонной связи.