27. Система передачи и обработки информации. Сообщение и сигнал. Канал связи.

Объектом передачи в любой системе передачи информации является сообщение, несущее какую-либо информацию. Каждый из нас неоднократно употреблял выражение "масса информации", однако немногие знают, что можно измерять информацию количественно. Прежде чем вводить систему формул и чисел, рассмотрим пример. Пусть 10 июня мы услышали сообщение бюро прогнозов: "Осадков в виде снега завтра в Москве не будет". За последние 100 лет 10 июля в Москве снега, вероятно, ни разу не было; поэтому услышанное нам и сообщение содержит в себе очень мало нового — мало информации. Если бы, однако, мы, зная, что работа бюро прогнозов надежна, услышали, что "завтра будут осадки в виде снега", то в этом сообщении для нас содержалось бы гораздо больше информации, чем в предыдущем. Таким об разом, сообщение о том, что произойдет событие, которое должно произойти почти наверняка, содержит в себе очень мало информации. Напротив, сообщение о том, что произойдет событие, которое почти наверняка произойти не должно, содержит много информации. Сообщение о некотором событии содержит тем больше информации, чем больше изменяется вероятность этого события после приема сообщения о нем, по сравнению с вероятностью того же события до того, как было принято соответствующее сообщение.

В общем случае мерой количества информации в сообщениях должна служить величина, измеряющая изменение вероятности события под действием сообщения. Любое сообщение может быть непрерывным (речь, музы ка) или дискретным письменный текст, цифровые данные). Функциональная схема системы передачи информации представлена на рис 1.1.

Рис. 1.1. Функциональная схема системы передачи информации.

Источником информации является отправитель сообщения, а потребителем — ее получатель. В одних системах передачи информации источником и потребителем информации может быть человек, а в других — различного рода автоматические устройства, ЭВМ и т. д.

Поступающее от источника сообщение u(t) в передатчике обрабатывается определенным образом, и формируется сигнал s(t), удобный для передачи по линии связи.

В телефонии, например, эта операция сводится просто к преобразованию звукового давления в пропорционально из меняющийся электрический ток микрофона. В телеграфии производится кодирование, в результате которого последовательность элементов сообщения (букв, цифр) преобразовывается в последовательность кодовых символов (0, 1, точка, тире).

Линией связи называется среда, используемая для передачи сигналов от передатчика к приемнику . В системах электрической связи — это пара проводов, кабель или волновод; в системах радиосвязи — область пространства, в которой распространяются электромагнитные волны от передатчика к приемнику; в системах оптической связи — оптическое волокно (ВОЛС).

При передаче сигнал может искажаться, и на него могут воздействовать помехи w(t). Приемник обрабатывает принятый сигнал x(t), искаженный помехой, и восстанавливает по нему переданное сообщение u(t). Обычно в приемнике выполняются операции, обратные тем, которые были осуществлены в передатчике.

Каналом связи принято называть совокупность технических средств, служащих для передачи сообщения от источника к потребителю. Этими средствами являются передатчик, линия связи и приемник.

Канал связи вместе с источником и потребителем образуют систему передачи и обработки информации. Различают системы передачи дискретных сообщений (например, система телеграфной связи, система передачи цифровых данных) и системы передачи непрерывных сообщений (системы радиовещания, телевидения и т. д.).

Система передачи информации называется многоканальной, если она обеспечивает взаимонезависимую передачу не скольких сообщений по одному общему каналу связи.

Сообщение и сигнал. Канал связи

Под информацией понимают сведения о каком - либо явлении, событии, объекте. Информация, выраженная в определенной форме, представляет собой сообщение, иначе говоря, сообщение — это то, что подлежит передаче. Сигнал является материальным носителем сообщения.

В качестве сигнала можно использовать любой физический процесс, изменяющийся в соответствии с передаваемым сообщением. Существенно то, что сигналом является не сам физический процесс, а изменение отдельных параметров этого процесса. Указанные изменения определяются тем сообщением, которое несет данный сигнал. Правила этих изменений — код — обычно задаются заранее. В системах передачи и обработки информации сигнал предназначен для передачи информации от отправителя к получателю. Код полностью известен как на передающей, так и на приемной сторонах — он устанавливается заранее.

Сообщения и соответствующие им сигналы бывают дискретными и непрерывными. Дискретное сообщение представляет собой последовательность отдельных элементов. Сигнал также представляет собой дискретную последовательность отдельных элементов, соответствующих элементам передаваемого сообщения. С такими сигналами мы имеем дело в вы числительной технике, в телеграфии. Так, при передаче телеграммы сообщением является текст телеграммы, элементами сообщения — буквы, сигналами — кодовые комбинации, соответствующие этим буквам.

Непрерывное сообщение — это некоторая физическая величина (звуковое давление, температура и т. п.), принимающая любые значения в заданном интервале. Сообщение с помощью датчиков преобразовывается в непрерывно изменяющуюся электрическую величину u(t) — видеосигнал или аналоговый сигнал. В большинстве случаев видеосигнал является низкочастотным колебанием, которое отображает передаваемое сообщение. Для удобства анализа видеосигнал часто условно рассматривают как сообщение, которое необходимо передать по каналу связи.

Для передачи на большое расстояние видеосигнал преобразовывается в высокочастотный сигнал (радиосигнал).

Puc. 1.2. Преобразование непрерывного сообщения в сигнал

Во многих случаях сигнал отображает временные процессы, происходящие в некоторой системе.

Поэтому описанием конкретного сигнала может быть некоторая функция времени. Определив так или иначе эту функцию, мы определяем и сигнал. Однако такое полное описание сигнала требуется не всегда. Для решения ряда вопросов достаточно более общего описания в виде нескольких обобщенных параметров, характеризующих основные свойства сигнала, подобно тому, как это делается в системах транспортирования. Указывая габариты и вес, мы характеризуем основные свойства предмета с точки зрения условий его транспортирования; другие свойства (например, цвет) с этой точки зрения являются несущественными.

Сигнал есть также объект транспортирования, а техника передачи информации есть, по существу, техника транспортирования (передачи) сигналов по каналам связи. Поэтому целесообразно определить параметры сигнала, которые являются основными с точки зрения его передачи. Такими параметрами являются длительность сигнала, динамический диапазон и ширина спектра.

Всякий сигнал, рассматриваемый как временной процесс, имеет начало и конец. Поэтому длительность сигнала Т является естественным его параметром, определяющим интервал времени, в пределах которого сигнал существует.

Характеристиками сигнала внутри интервала его существования являются динамический диапазон и скорость изменения сигнала.

Динамический диапазон определяется как отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к наименьшей:

Динамический диапазон речи диктора равен 25 ÷ 30 дБ, вокального ансамбля — 45 ÷ 55 дБ, симфонического оркестра — 65 ÷ 75 дБ.

В реальных условия х всегда имеют место помехи. Для удовлетворительной передачи требуется, чтобы наименьшая мощность сигнала превышала мощность помех. Отношение сигнала к помехе характеризует относительный уровень сигнала. Обычно определяется логарифм этого отношения, который называется превышением сигнала над помехой. Это превышение и принимается в качестве второго параметра сигнала. Третьим параметром является ширина спектра сигнала F. Эта величина дает представление о скорости изменения сигнала внутри интервала его существования. Спектр сигнала может простираться в пределах очень большой полосы частот. Однако для большинства сигналов можно указать полосу частот, в пределах которой сосредоточена его основная энергия. Этой полосой и определяется ширина спектра сигнала.

Канал связи можно охарактеризовать так же, как и сигнал, тремя параметрами: временем, в течение которого по каналу ведется передача, динамическим диапазоном и полосой пропускания канала.

Общими признаками различных каналов являются следующие. Во-первых, большинство каналов можно считать линейными. В таких каналах выходной сигнал представляет собой просто сумму входных сигналов (принцип суперпозиции). Во-вторых, на выходе канала, даже при отсутствии полезного сигнала, всегда имеются помехи. В-третьих, сигнал при передаче по каналу претерпевает задержку по времени и затухание по уровню. И, наконец, в реальных каналах всегда имеют место искажения сигнала, обусловленные несовершенством канала.

Сигнал на выходе канала можно записать в следующем виде:

где s(t) — сигнал на входе канала; w(t) — помеха; и τ — величины, характеризующие затухание и время задержки сигнала.