телекоммуникации. 1. элементы теории передачи информации информация, сообщение, сигнал Понятие информация
 Скачать 1.36 Mb.
|
|
1. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 1.1. Информация, сообщение, сигнал Понятие «информация» имеет много различных аспектов, и в связи с этим существует и несколько различных подходов к ее определению и оценкам (количественным, качественным и др.). Например, в философии принято считать, что информация есть отражение реального мира. Исходя из специфики задач теории информации, академик А.А.Харкевич определил информацию как совокупность сведений о каком-либо событии, явлении, предмете и т.д., являющихся объектом хранения, передачи и преобразования [1]. Для выполнения указанных действий используют условные символы (знаки) -буквы, математические знаки, рисунки, жесты, слова и.т.п., позволяющие выразить информацию в необходимой форме. Совокупность знаков, которые используются для хранения, передачи и преобразования информации, называют сообщением. Так, при телеграфной передаче информация представляется в виде букв и цифр. Соответственно сообщением является текст телеграммы, представляющий последовательность этих знаков. В телефонных системах сообщением является речь - определенный набор звуков, отображающих не только содержание, но и интонацию, тембр, ритм и иные свойства речи. В различных технических системах информация представляется в двоичной форме, т.е. только двумя условными символами, например 1 и 0. Соответственно сообщением служит последовательность конечного числа двоичных символов. При передаче движущихся изображений в телевизионных системах сообщение представляет собой изменение во времени яркости элементов изображения. Различают дискретные и непрерывные сообщения. Дискретные сообщения формируются в результате последовательной выдачи источником сообщений отдельных знаков. Множество различных знаков называют алфавитом источника сообщений, а их количество — объемом алфавита. Непрерывные сообщения не разделимы на элементы. Они описываются функциями времени, принимающими непрерывное множество значений. Типичными примерами непрерывных сообщений могут служить речь, телевизионное изображение. Передача сообщений (а следовательно, и информации) на расстояние осуществляется с помощью какого-либо материального носителя (бумаги, магнитной ленты и т. п.) или физического процесса (звуковых или электромагнитных волн, тока и т. п.). Физический процесс, посредством которого сообщение передается на расстояние, называется сигналом. В качестве сигнала можно использовать любой физический процесс, изменяющийся в соответствии с переносимым сообщением. В современных системах управления и связи чаще всего используют электрические сигналы. Физической величиной, определяющей такой сигнал, являются ток или напряжение. Сигналы формируются путем изменения тех или иных параметров физического носителя по закону передаваемых сообщений. Процесс изменения параметров носителя принято называть модуляцией. Сообщения могут быть функциями времени, например речь при передаче телефонных разговоров, температура или давление воздуха при передаче телеметрических данных, спектакль при передаче по телевидению и т. п. В других случаях сообщение не является функцией времени (например, текст телеграммы, неподвижное изображение и т. д.). Сигнал является функцией времени, даже если сообщение таковым не является. По своей природе сигналы могут быть электрическими, световыми, звуковыми и т.п. В системах телекоммуникаций (ТК) используются электрические и световые сигналы. Электрические сигналы получили наиболее широкое применение в системах ТК. Это связано с тем, что обработка электрических сигналов осуществляются гораздо проще с технической точки зрения, чем обработка сигналов другой физической природы. Поэтому при передаче сообщения неэлектрической природы предварительно преобразуются в электрические колебания с помощью преобразователей: микрофонов, передающих телевизионных трубок, датчиков температуры, давления т. п. Эти электрические колебания обычно называют первичными сигналами. Наряду с электрическими сигналами в системах ТК могут использоваться световые сигналы, передача которых на расстояние по волоконно-оптическим линиям связи может оказаться предпочтительнее, чем передача электрических сигналов. Различают следующие виды сигналов [2]:
Сигналы первого вида (рис. 1.1, а), называемые непрерывными, задаются на конечном или бесконечном временном интервале и могут принимать любые значения в некотором диапазоне. Примером таких сигналов, называемых аналоговыми, являются сигналы на выходах микрофона, датчиков температуры, давления, положения и т. п. Сигналы второго вида (рис. 1.1, 6) задаются в определенные дискретные моменты времени и могут принимать любые значения из некоторого диапазона. Их можно получить из непрерывных сигналов путем взятия отсчетов в определенные моменты. Это преобразование называется дискретизацией во времени. Шаг дискретизации Тд (промежуток времени между двумя соседними отсчетами) может быть как постоянным, так и переменным. Обычно его значение выбирают, исходя из допустимой погрешности при восстановлении непрерывного сигнала по конечному числу его отсчетов. Устройство, осуществляющее формирование дискретных отсчетов сигналов, называется дискретизатором. Сигналы третьего вида (рис. 1.1, в), называемые квантованными по уровню, задаются на некотором временном интервале и характеризуются тем, что принимают только вполне определенные дискретные значения. Их можно получить из непрерывных сигналов, применяя к ним операцию квантования по уровню. В результате этой операции непрерывный сигнал заменяется ступенчатой функцией. Шаг квантования ∆а (расстояние между двумя соседними разрешенными уровнями) может быть как постоянным, так и переменным. Его обычно выбирают из условия обеспечения требуемой точности восстановления непрерывного сигнала из квантованного. Устройство, которое выполняет указанную операцию, носит название квантователя. Сигналы четвертого вида (рис. 1.1, г), называемые дискретными, задаются в определенные дискретные моменты и принимают определенные дискретные значения. Их можно получить, например, из непрерывных сигналов, осуществляя операции дискретизации по времени и квантования по уровню. Такие сигналы легко представить в цифровой форме, т. е. в виде чисел с конечным числом разрядов. По этой причине их часто называют цифровыми [2,3]. Аналогичная классификация возможна и для сообщений. Сообщения, подлежащие передаче, являются или случайной величиной, или случайной функцией. Детерминированные (заранее известные) сообщения не содержат информации, и нет смысла их передавать. Соответственно сигнал также следует рассматривать как случайный процесс. Детерминированные сигналы не несут информацию. В технике связи они используются для изучения свойств различных радиотехнических цепей.      Рис. 1.1. 1.2. Преобразование непрерывных сообщений в цифровую форму *) Д (1.1) ля сообщения с ограниченным спектром дискретизация осуществляется на основе теоремы Котельникова, в соответствии с которой любую непрерывную функцию со спектром 0≤F≤Fmax можно однозначно определить последовательностью ее мгновенных значений, взятых через интервалы: Восстановление непрерывной функции производится в соответствии с выражением:   (1.2) называемым рядом Котельникова. Условие ограничения спектра может выполняться не для всех сигналов. Но на практике вследствие ограниченности полосы пропускания канала, спектр сигнала можно считать ограниченным некоторой частотой Fmax. Обычно она определяется на основе частотного критерия. Спектр сигнала ограничивается областью частот от 0 до Fmax, в которой сосредоточена большая часть энергии сигнала (80-95%). Такое ограничение, естественно, приводит к некоторому искажению сигнала. Восстановление непрерывного сигнала по дискретным отсчетам также сопровождается погрешностью. Основные причины:
4)Для восстановления непрерывной функции последовательность дискретных значений необходимо подать на вход так называемого «идеального» фильтра нижних частот (ФНЧ). Поскольку «идеальный» ФНЧ является абстракцией и на практике используется реальный ФНЧ с характеристиками, отличающимися от характеристик «идеального» ФНЧ, то это также является причиной искажений при восстановлении непрерывного сигнала по дискретным отсчетам. Таким образом, следует иметь в виду, что теорема Котельникова выражает предельные соотношения для идеализированных условий (ограниченность спектра и бесконечное время наблюдения). Однако в большинстве практических случаев ее применение для реальных сигналов позволяет получить сравнительно небольшую погрешность, приемлемую в инженерной практике. 1.3. Обобщенная структурная схема системы связи. Канал связи. Системой связи (телекоммуникационной системой) называют совокупность технических средств, предназначенных для передачи информации, включая источник информации и получателя информации [2]. Структурная схема простейшей системы связи показана на рис. 1.2. Рассмотрим назначение основных ее элементов.  Источником сообщений может быть человек или различного рода устройства (датчики, ЭВМ и т.п.). Источник сообщений осуществляет выбор сообщений из ансамбля сообщений. Если сообщение на выходе источника имеет неэлектрическую природу, то для его передачи в системе связи оно преобразуется в первичный электрический сигнал. Указанная операция производится в первичном преобразователе. В телефонии, например, в качестве первичного преобразователя применяется микрофон, превращающий перепады звукового давления в пропорционально изменяющийся электрический ток. В телевидении функции первичного преобразователя выполняет телевизионная камера. Первичные сигналы обычно являются низкочастотными и не предназначены для передачи на расстояние. Для передачи на большие расстояния используют специальные электромагнитные колебания высокой частоты, называемые переносчиками, которые могут эффективно распространяться по линии связи. В передающем устройстве первичный сигнал превращается во вторичный (высокочастотный) сигнал S(t) (рис. 1.2). В качестве переносчика могут использоваться электромагнитные колебания, имеющие гармоническую u(t)= A0·sin(ω0t - φ0 ) или импульсную форму. Сами переносчики не содержат информации о передаваемом сообщении. Для того, чтобы заложить в них эту информацию, применяют операцию модуляции, которая заключается в изменении одного или нескольких параметров переносчика по закону передаваемого сообщения. Например, в гармоническом переносчике можно изменять амплитуду, частоту или фазу колебания. При этом возможны три вида модуляции: амплитудная (АМ), фазовая (ФМ) и частотная (ЧМ), когда модулированные параметры могут быть представлены в следующем виде A(t)=A0+ΔA·a(t), ω(t)=ω0+Δω·a(t), φ(t)= φ0+Δφ·a(t), где a(t)- закон изменения передаваемого сообщения (полагаем, что -1≤a(t)≤ 1), ΔA, Δω, Δφ - максимальные изменения соответственно амплитуды, частоты и фазы. В импульсном переносчике можно изменять амплитуду, временное положение импульсов относительно выбранного начала отсчета, их длительность, период следования, параметры формы импульса и т.п. Устройство, осуществляющее изменение одного или нескольких параметров переносчика, называется модулятором. Линия связи – это среда, используемая для передачи сигналов. Линии связи могут быть проводные и беспроводные, например, радиолинии. В радиолиниях средой служит часть пространства, в котором распространяются электромагнитные волны от передатчика к приемнику. Источник помех. В реальной системе сигнал передается при наличии помех, под которыми понимают любые случайные воздействия, накладывающиеся на сигнал и затрудняющие его прием. Поэтому сигнал S*(t), поступающий на вход приемного устройства (рис. 1.2), в общем случае отличается от сигнала S(t), который был на выходе радиопередающего устройства. В некоторых случаях действие помех n(t) можно описать соотношением S*(t)=S(t)+ n(t), где n(t) не зависит от S(t). Помеха, удовлетворяющая такому условию, называется аддитивной. Если соотношение, связывающее сигналы на выходе радиопередатчика и приемника, имеет вид S*(t)=µ(t)·S(t), где µ(t)·- некоторая случайная функция, то помеха называется мультипликативной. В реальных линиях связи действуют как аддитивная, так и мультипликативная помехи, поэтому S*(t)=µ(t)·S(t) )+ n(t). В зависимости от характера изменения во времени различают флуктуационные, импульсные (сосредоточенные во времени) и узкополосные (сосредоточенные по частоте) помехи. Флуктуационная помеха порождается различного рода флуктуациями, т.е. случайного рода отклонениями физических величин от их средних значений. Флуктуационная помеха может быть обусловлена дискретной природой носителей заряда в электронных приборах, тепловым движением носителей заряда и некоторыми другими причинами. Импульсная помеха представляет собой случайную последовательность импульсов, следующих столь редко, что реакция приемника на текущий импульс успевает затухнуть к моменту появления очередного импульса. Типичным примером такой помехи могут служить атмосферная помеха, различного года индустриальные помехи и т.д. Узкополосная помеха, как следует из ее названия, сосредоточена в сравнительно узкой полосе частот, существенно меньшей по сравнению с полосой частот сигнала. Приемное устройство обрабатывает принятое колебание S*(t)=µ(t)·S(t)+n(t) и восстанавливает по нему сообщение (первичный сигнал) b*(t), которое с некоторой погрешностью отражает переданное сообщение b(t). Другими словами, приемник должен на основе анализа колебания S*(t) определить, какое из возможных сообщений передавалось. Получателем сообщения может быть человек, для которого оно предназначено, или различного рода устройства (автомат, ЭВМ, магнитофон и т.п.). Совокупность технических средств передачи информации, включающая среду распространения и обеспечивающая передачу сигнала от некоторой точки А системы до точки В (рис. 1.3), называется каналом. Точки А и В могут быть выбраны произвольно в зависимости от решаемых задач. Так, в одних случаях канал может состоять только из линии связи, в других – из модулятора, линии связи и демодулятора и т.д. Часть системы связи, расположенная до точки А, является источником сигнала для этого канала. Если сигнал, поступающий на вход канала и снимаемый на его выходе, является дискретным по состояниям, то такой канал называется дискретным. Если входные и выходные сигналы канала непрерывные, то канал называется непрерывным. Встречаются также дискретно-непрерывные и непрерывно-дискретные каналы, на вход которых поступают дискретные сигналы, а на выходе снимаются непрерывные, и наоборот.  Любая телекоммуникационная система характеризуется рядом показателей. Рассмотрим наиболее существенные из них с точки зрения передачи информации. Достоверность передачи информации характеризует степень соответствия принятых сообщений переданным. Она зависит от параметров самой системы, степени ее технического совершенства и условий работы. Последние определяются типом и состоянием линий связи, видом и интенсивностью помех и т.д. Для различных телекоммуникационных систем критерии соответствия принятого сигнала переданному могут существенно отличаться. При передаче дискретных сообщений действие помех проявляется в том, что вместо переданного символа принимается другой. В этом случае достоверность передачи сообщений целесообразно характеризовать или вероятностью правильного приема символа pпр, или вероятностью ошибки pош=1-pпр. |