Передача информации физический процесс, посредством которого осуществляется перемещение информации в пространстве
 Скачать 1.33 Mb.
|
|
КС – канал связи. Технически блоки модулятор (М) и демодулятор (ДМ) реализованы в одном устройстве, которое называется модем (МОдулятор-ДЕМодулятор). Аналогично блоки кодеров (КИ и КК) и декодеров (ДИ и ДК) реализованы технически в одном устройстве, называемом кодек (КОдер-ДЕКодер). Блоки уплотнитель У и блок выделения сигнала В образуют мультиплексор Каналы передачи сообщений характеризуются пропускной способностью и помехозащищённостью. Каналы передачи данных делятся на симплексные (с передачей информации только в одну сторону (телевидение)) и дуплексные (по которым возможно передавать информацию в оба направления (телефон, телеграф)). По каналу могут одновременно передаваться несколько сообщений. Каждое из этих сообщений выделяется (отделяется от других) с помощью специальных фильтров. Например, возможна фильтрация по частоте передаваемых сообщений, как это делается в радиоканалах. Пропускная способность канала определяется максимальным количеством символов, передаваемых ему в отсутствии помех. Эта характеристика зависит от физических свойств канала. Для повышения помехозащищенности канала используются специальные методы передачи сообщений, уменьшающие влияние шумов. Например, вводят лишние символы. Эти символы не несут действительного содержания, но используются для контроля правильности сообщения при получении. Передатчик Приемник Помехи Кодирующие устройство Декодирующие устройство Источник Получатель Жизненный цикл сообщения выглядит следующим образом: - отправитель кодирует идею или мысль в сообщение, - передаёт сообщение через среду общения получателю. - получатель получает сообщение и декодирует смысл. Типы сообщений: запрос/вопрос, ответ, команда, повествование, уведомление, предложение. http://profbeckman.narod.ru/InformLekc.htm В информационных системах существуют следующие виды сообщений. Дискретное сообщение является конечной последовательностью отдельных символов. Для преобразования дискретного сообщения в сигнал необходимо выполнить операцию кодирования сообщения, при котором повышается скорость и помехоустойчивость передачи информации. Непрерывное сообщение определяется непрерывной функцией времени. Непрерывные сообщения можно передавать дискретными методами. Для этого непрерывный сигнал (сообщение) подвергают дискретизации во времени и квантованию по уровню. На приёмной стороне выполняется восстановление непрерывной функции по дискретным отсчётам. Сигнал Непрерывный Дискретный По уровню По времени По времени По уровню Рис. 3. Системы передачи информации http://profbeckman.narod.ru/InformLekc.htm При математическом описании сообщений формирование дискретных сообщений рассматривают как последовательный случайный выбор того или иного символа из алфавита источника сообщений, т.е. как формирование дискретной случайной последовательности. Формирование непрерывных сообщений представляет собой выбор реализаций (случайных функций) непрерывного случайного процесса. Основными информационными характеристиками являются количество информации в сообщениях, избыточность сообщений, энтропия, производительность источника сообщений, скорость передачи информации. 4. СИГНАЛЫ Важно различать три основные понятия: данные, сигнал, передача. Данные – то, с помощью чего мы описываем явление или объект. Данныеимеют разную природу. Если информация представлена в виде аудио или видео данных, то мы говорим об аналоговых данных. Если она представлена в виде текста, то это цифровые данные. Это не означает, что, например, аудио данные нельзя представить в цифровом виде. Это сделать можно, но потребует дополнительных усилий. Сигнал – представление данных. Передача – процесс взаимодействия передатчика и приёмника с целью получения приемником сигналов от передатчика. http://profbeckman.narod.ru/InformLekc.htm Акустические волны имеют непрерывный характер, т.е. значения их основных параметров, например, амплитуды, частоты, меняются со временем непрерывно. Другой пример - видео данные. Яркость изображения, его контрастность также имеют непрерывный характер. Совсем иное дело текст. Он представлен символами, которые проще представлять в виде кодов, например, наборов из нулей и единиц. Эти коды могут быть легко представлены в дискретном или цифровом виде. Коды могут иметь достаточно сложное устройство, например, если мы хотим обнаруживать или исправлять ошибки при передаче. Сигналы Непрерывный по уровню и Дискретный по уровню во времени сигнал Х и непрерывный по времени сигнал Х Непрерывный по уровню и Дискретный по уровню и дискретный по времени сигнал Х по времени сигнал Х Для того чтобы сообщение можно было передать получателю, необходимо воспользоваться некоторым физическим процессом, способным с некоторой скоростью распространяться от источника к получателю сообщения. Изменяющийся во времени физический процесс, отражающий передаваемое сообщение называется сигналом. Сигнал - изменение физической величины, передающее информацию, кодированную определённым способом. В просторечии употребляется как синоним слова сообщение. Термин применяется в областях науки и техники, связанных с обработкой и передачей информации, в кибернетике, электронике, радиотехнике, технике связи и др. Сигнал в информационной системе - набор переданных и принятых данных, передающий информацию, кодированную определённым способом. В биологии сигнал - событие, имеющее регуляторное/управленческое значение в той системе, в которой оно опознается и потому значимо для неё. В живой клетке сигнал - это событие, имеющее регуляторное значение для функционирования клетки. Сигнал - физический процесс, содержащий в себе некоторую информацию. На практике чаще всего используются электрические сигналы. При этом носителем информации является изменяющиеся во времени ток или напряжение в электрической цепи. Электрические сигналы легче обрабатывать, чем другие, они хорошо передаются на большие расстояния. Математическая модель представления сигнала, как функции времени, является основополагающей концепцией теоретической радиотехники, оказавшейся плодотворной как для анализа, так и для синтеза радиотехнических устройств и систем. В радиотехнике альтернативой сигналу, который несёт полезную информацию, является шум - обычно случайная функция времени, взаимодействующая (например, путем сложения) с сигналом и искажающая его. Основной задачей теоретической радиотехники является извлечение полезной информации из сигнала с обязательным учётом шума. Шум - беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Выделяют аналоговые, дискретные, квантованные и цифровые сигналы. Аналоговые и цифровые сигналы коренным образом отличаются друг от друга. Условно можно сказать, что они находятся на разных концах одного и того же спектра. Из-за таких существенных различий между двумя типами сигналов для организации «моста» между ними приходится использовать промежуточные устройства, наподобие цифро-аналоговых преобразователей. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя). Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) - устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами. Аналоговый сигнал - сигнал, область определения которого непрерывное пространство, т. е. пространство, не являющееся дискретным. Аналоговые сигналы описываются непрерывными функциями времени, поэтому аналоговый сигнал иногда называют непрерывным сигналом. Рис. 4. Аналоговый сигнал Аналоговый сигнал - сигнал, величина которого непрерывно изменяется во времени. Аналоговый сигнал обеспечивает передачу данных путем непрерывного изменения во времени амплитуды, частоты либо фазы. http://profbeckman.narod.ru/InformLekc.htm Аналоговые сигналы естественным образом передают речь, музыку и изображения. Для использования аналоговых сигналов в системах и сетях осуществляется квантование и аналого-дискретное преобразование. Аналоговый сигнал - представление данных в виде непрерывно меняющихся значений. Аналоговый электрический сигнал характеризуется различными значениями напряжения или тока (вольт или ампер) и является электрическим представлением исходного возбуждения (звука, света) в пределах динамического диапазона системы Большинство сигналов имеют аналоговую природу, то есть изменяются непрерывно во времени и могут принимать любые значения на некотором интервале. Аналоговые сигналы описываются некоторой математической функцией времени. Пример АС - гармонический сигнал - s(t)=A·cos(ω·t+φ). Аналоговые сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении. Ввести такой сигнал в компьютер и обработать его невозможно, так как на любом интервале времени он имеет бесконечное множество значений, а для точного (без погрешности) представления его значения требуются числа бесконечной разрядности. Поэтому необходимо преобразовать аналоговый сигнал так, чтобы можно было представить его последовательностью чисел заданной разрядности. Различают два пространства сигналов - пространство L (непрерывные сигналы), и пространство l - пространство последовательностей. Пространство l - пространство коэффициентов Фурье (счетного набора чисел, определяющих непрерывную функцию на конечном интервале области определения), пространство L - пространство непрерывных по области определения (аналоговых) сигналов. При некоторых условиях, пространство L однозначно отображается в пространство l (см. первые две теоремы дискретизации Котельникова). Аналоговые сигналы описываются непрерывными функциями времени, поэтому аналоговый сигнал иногда называют непрерывным сигналом. Аналоговым сигналам противопоставляются дискретные (квантованные, цифровые). Примеры непрерывных пространств и соответствующих физических величин: прямая: электрическое напряжение; окружность: положение ротора, колеса, шестерни, стрелки аналоговых часов, или фаза несущего сигнала; отрезок: положение поршня, рычага управления, жидкостного термометра или электрический сигнал, ограниченный по амплитуде; различные многомерные пространства: цвет, квадратурно-модулированный сигнал. Свойства аналоговых сигналов: - Отсутствие чётко отличимых друг от друга дискретных уровней сигнала приводит к невозможности применить для его описания понятие информации в том виде, как она понимается в цифровых технологиях. Содержащееся в одном отсчёте «количество информации» будет ограничено лишь динамическим диапазоном средства измерения. - Отсутствие избыточности. Из непрерывности пространства значений следует, что любая помеха, внесенная в сигнал, неотличима от самого сигнала и, следовательно, исходная амплитуда не может быть восстановлена. В действительности фильтрация возможна, например, частотными методами, если известна какая-либо дополнительная информация о свойствах этого сигнала (в частности, полоса частот). Аналоговые сигналы часто используют для представления непрерывно изменяющихся физических величин. Например, аналоговый электрический сигнал, снимаемый с термопары, несет информацию об изменении температуры, сигнал с микрофона - о быстрых изменениях давления в звуковой волне, и т. п. Дискретный сигнал Дискретизация аналогового сигнала состоит в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени. Эти значения называются отсчётами. Δt называется интервалом дискретизации. Частота дискретизации (или частота семплирования) - частота взятия отсчётов непрерывного во времени сигнала при его дискретизация (в частности, аналого-цифровом преобразователем). Измеряется в Герцах. Термин применяется и при обратном, цифро-аналоговом преобразовании, особенно если частота дискретизации прямого и обратного преобразования выбрана разной (Данный приём, называемый также «Масштабированием времени», встречается, например, при анализе сверхнизкочастотных звуков, издаваемых морскими животными). Чем выше частота дискретизации, тем более широкий спектр сигнала может быть представлен в дискретном сигнале. Как следует из теоремы Котельникова, для того чтобы однозначно восстановить исходный сигнал, частота дискретизации должна более чем в два раза превышать наибольшую частоту в спектре сигнала. http://profbeckman.narod.ru/InformLekc.htm Рис. 5. Дискретный сигнал Квантованный сигнал При квантовании вся область значений сигнала разбивается на уровни, количество которых должно быть представлено в числах заданной разрядности. Расстояния между этими уровнями называется шагом квантования Δ. Число этих уровней равно N (от 0 до N–1). Каждому уровню присваивается некоторое число. Отсчеты сигнала сравниваются с уровнями квантования и в качестве сигнала выбирается число, соответствующее некоторому уровню квантования. Каждый уровень квантования кодируется двоичным числом с n разрядами. Число уровней квантования N и число разрядов n двоичных чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением n≥log 2 (N). Рис. 6. Квантованный сигнал Квантование - в информатике разбиение диапазона значений непрерывной или дискретной величины на конечное число интервалов. Существует также векторное квантование - разбиение пространства возможных значений векторной величины на конечное число областей. Квантование часто используется при обработке сигналов, в том числе при сжатии звука и изображений. Простейшим видом вантования является деление целочисленного значения на к натуральное число, называемое коэффициентом квантования. Однородное (линейное) квантование - разбиение диапазона значений на отрезки равной длины. Его можно представлять как деление исходного значения на постоянную величину (шаг квантования) и взятие целой части от частного: 0 ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ − = h y y y q Не следует путать квантование с дискретизацией (и, соответственно, шаг квантования с частотой дискретизации). Дискретизация - процесс перевода непрерывного аналогового сигнала в дискретный или дискретно- непрерывный сигнал. Обратный процесс называется восстановлением. При дискретизации только по времени, непрерывный аналоговый сигнал заменяется последовательностью отсчётов, величина которых может быть равна значению сигнала в данный момент времени. Возможность точного воспроизведения такого представления зависит от интервала времени между отсчётами Δt. Согласно теореме Котельникова: max 2 1 F t ≤ Δ , где F max - наибольшая частота спектра сигнала. При дискретизации изменяющаяся во времени величина (сигнал) замеряется с заданной частотой (частотой дискретизации), таким образом, дискретизация разбивает сигнал по временной составляющей (на графике - по горизонтали). Квантование же приводит сигнал к заданным значениям, то есть, разбивает по уровню сигнала (на графике - по вертикали). Сигнал, к которому применены дискретизация и квантование, называется цифровым. При оцифровке сигнала уровень квантования называют также глубиной дискретизации или битностью . Глубина дискретизации измеряется в битах и обозначает количество бит, выражающих амплитуду сигнала. Чем больше глубина дискретизации, тем точнее цифровой сигнал соответствует аналоговому. В случае однородного квантования глубину дискретизации называют также динамическим диапазоном и измеряют в децибелах (1 бит ≈ 6 дБ). Квантование по уровню - представление величины отсчётов цифровыми сигналами. Для этого диапазон напряжения сигнала от U min до U max делится на 2n интервалов. Величина получившегося интервала: 2 min max n U U − = Δ Каждому интервалу присваивается n-разрядный двоичный код - номер интервала, записанный двоичным числом. Каждому отсчёту сигнала присваивается код того интервала, в который попадает значение напряжения этого отсчёта. Таким образом, аналоговый сигнал представляется последовательностью двоичных чисел, соответствующих величине сигнала в определённые моменты http://profbeckman.narod.ru/InformLekc.htm времени, то есть цифровым сигналом. При этом каждое двоичное число представляется последовательностью импульсов высокого (1) и низкого (0) уровня. Цифровой сигнал – дискретный сигнал, квантованныйпо амплитуде. Сигналы представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе вся ёмкость коммуникационного канала используется для передачи одного сигнала. Цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля. Дискретный цифровой сигнал сложнее передавать на большие расстояния, чем аналоговый сигнал, поэтому его предварительно модулируют на стороне передатчика, и демодулируют на стороне приёмника информации. Использование в цифровых системах алгоритмов проверки и восстановления цифровой информации позволяет существенно увеличить надёжность передачи информации. Для того чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел конечной разрядности, его следует сначала превратить в дискретный сигнал, а затем подвергнуть квантованию. В результате сигнал будет представлен таким образом, что на каждом заданном промежутке времени известно приближённое (квантованное) значение сигнала, которое можно записать целым числом. Если записать эти целые числа в двоичной системе, получится последовательность нулей и единиц, которая и будет являться цифровым сигналом. Цифровой сигнал получают из аналогового или синтезируют непосредственно в цифре. Аналого- цифровое преобразование предполагает две основные операции: дискретизация и квантование. Дискретизация - замена непрерывного сигнала рядом отсчетов его мгновенных значений, взятых через равные промежутки времени. По теореме Котельникова - Шенона дискретный сигнал может быть впоследствии полностью восстановлен при условии, что частота дискретизации как минимум вдвое превосходит верхнюю частоту спектра сигнала. Затем отсчеты квантуются по уровню: каждому из них присваивается дискретное значение, ближайшее к реальному. Точность квантования определяется разрядностью двоичного представления. Чем выше разрядность, тем больше уровней квантования (2N, где N — число разрядов) и ниже шумы квантования — погрешности из-за округления до ближайшего дискретного уровня. |