Глава 1 загальні відомості о системах та мережах електрозв'язку

1. Інформація, повідомлення, сигнали, як форма уявлення матерії

Поняття інформації й повідомлення вживаються досить часто. Ці близькі за змістом поняття складні й дати їхнє точне визначення. Поняття інформація походить від латинського informatio — роз'яснення, ознайомлення, поінформованість. Під інформацією розуміють сукупність відомостей, даних про яких-небудь події, явища або предмети. Ми живемо в інформаційному світі. Усе, що ми бачимо, чуємо, пам'ятаємо, знаємо, переживаємо, - все це різні форми інформації. Сукупність відомостей, даних стає знанням лише після їх інтерпретації з урахуванням цінності й змісту цих відомостей. Отже, інформацію в широкому змісті можна визначити як сукупність знань про навколишнє середовище. У такому розумінні інформація є найважливішим ресурсом науково-технічного й соціально-економічного розвитку суспільства. На відміну від матеріального й енергетичного ресурсів, інформаційний ресурс не зменшується при споживанні, накопичується згодом, порівняно легко й просто за допомогою технічних засобів обробляється, зберігається й передається на значні відстані.

Для передачі або зберігання інформації використовують різні знаки (символи), що дозволяють представити її в деякій формі. Цими знаками можуть бути слова й фрази в людській мові, жести й малюнки, форми коливань, математичні знаки й т.п. Сукупність знаків, що відображають ту або іншу інформацію, називають повідомленням. Так, при телеграфній передачі повідомленням є текст телеграми, що представляє собою послідовність окремих знаків - букв і цифр. При розмові по телефоні повідомленням є безперервна зміна в часі звукового тиску, що відображає не тільки зміст, але й інтонацію, тембр, ритм й інші властивості мови. При передачі зображень, що рухаються, у телевізійних системах повідомлення являє собою зміну в часі яскравості та кольору елементів зображення.

Передача повідомлень (а отже, і інформації) на відстань здійснюється за допомогою якого-небудь матеріального носія (CD та DVD дисків, паперу, магнітної стрічки й т.д.) або фізичного процесу (звукових або електромагнітних хвиль, струму й т.д.). Фізичний процес, що відображає (несе) передане повідомлення, називається сигналом.

Сигнал можна використовувати будь-який фізичний процес, що змінюється відповідно до повідомлення. У сучасних системах керування й зв'язку найчастіше використовують електричні сигнали. Фізичною величиною, що визначає такий сигнал, є струм або напруга. Сигнали формуються шляхом зміни тих або інших параметрів фізичного носія відповідно до переданого повідомлення. Цей процес (зміни параметрів носія) прийнято називати модуляцією.

Повідомлення можуть бути функціями часу, наприклад мова при передачі телефонних розмов, температура або тиск при передачі телеметричних даних, спектакль при передачі по телебаченню й т.п. В інших випадках повідомлення не є функцією часу (наприклад, текст телеграми, нерухоме зображення й т.д.).

Сигнал передає (розгортає) повідомлення в часі. Отже, він завжди є функцією часу, навіть якщо повідомлення (наприклад, нерухоме зображення) таким не є. Якщо сигнал являє собою функцію x(t), що приймає тільки певні дискретні значення х (наприклад, 1 й 0), то його називають дискретним або дискретним за рівнем (амплітудою). Точно так само й повідомлення, що приймає тільки деякі певні рівні, називають дискретним. Якщо ж сигнал (або повідомлення) може приймати безліч множин значень в деякому інтервалі, то вони називаються безперервними або аналоговими.

У деяких випадках повідомлення або сигнал задають не на всій осі часу, а в певні моменти t. Такі повідомлення (сигнали) називають дискретними за часом на відміну від безперервних за часом, заданих на всій осі t. Наприклад, мова є повідомленням безперервним як за рівнем, так і за часом, а датчик температури, що видає її значення через кожні 5 хвилин, служить джерелом повідомлень, безперервних по величині, але дискретних за часом. На рис. 1.1 наочно проілюстровані різні види сигналів. Сигнал з кінцевим числом дискретних рівнів часто називають цифровим, оскільки рівні можна пронумерувати числами з кінцевим числом розрядів.

Дискретні повідомлення не обов'язково перетворюються в дискретні сигнали, а безперервні повідомлення — у безперервні сигнали. Найчастіше саме безперервні сигнали використають для передачі дискретних повідомлень (у якості сигналів - переносників). Дискретні ж сигнали можуть використовуватися для передачі безперервних повідомлень (після їх дискретизації).

Повідомлення за допомогою пристроїв (датчиків) звичайно перетворюються в електричну величину b(t) — первинний сигнал. При передачі мови таке перетворення виконує мікрофон, при передачі зображення — відеокамера. У більшості випадків первинний сигнал є низькочастотним коливанням, що відображає передане повідомлення.

У деяких випадках первинний сигнал безпосередньо передають по фізичної цепі. Так надходять, наприклад, при звичайному міському телефонному зв'язку. Для передачі на більші відстані (по кабелі або радіоканалу) первинний сигнал перетворять у високочастотний.

Рисунок 1.1 – Види сигналів: а) безперервний, б) дискретизований, в) квантований, г) диcкретний

Якби передане повідомлення було детермінованим, тобто заздалегідь відомим з повною вірогідністю, то передача його не мала б змісту. Таке детерміноване повідомлення не містить інформації. Тому повідомлення варто розглядати як випадкові події (або випадкові величини, випадкові функції). Інакше кажучи, повинне існувати деяка безліч варіантів повідомлення (наприклад, безліч різних значень температури), з яких реалізується з певною ймовірністю одне. Тому й сигнал є випадкової функцією. Детермінований сигнал не може бути носієм інформації. Його можна використати лише для випробувань системи зв'язку або окремих її елементів.

Випадковий характер повідомлень, сигналів, а також перешкод обумовив в значення теорії ймовірностей у побудові теорії зв'язку. Як буде показано в наступних главах, імовірнісні властивості сигналів і повідомлень, а також середовища, у якій передається сигнал, дозволяють визначити кількість переданої інформації і її втрати.

Описом конкретного сигналу може бути деяка функція часу x(i). Визначивши так чи інакше цю функцію, визначаємо й сигнал. Однак такий повний опис сигналу не завжди потрібно. Для рішення ряду питань досить більше загального опису у вигляді декількох параметрів, що характеризують основні властивості сигналу, подібно тому, як це робиться в системах транспортування. Указуючи габаритні розміри й масу, характеризуємо основні властивості предмета з погляду умов його перевезення; інші властивості (наприклад, кольори) із цього погляду є несуттєвими.

Сигнал також є об'єктом транспортування, а техніка зв'язку власне кажучи технікою транспортування (передачі) сигналів по каналах зв'язку. Тому доцільно визначити параметри сигналу, які є основними з погляду його передачі. Такими параметрами є тривалість сигналу ,його динамічний діапазон і ширина спектра .

Тривалість сигналу показує, що усякий сигнал, розглянутий як часовий процес, має початок і кінець. Тому тривалість сигналу є природним його параметром, що визначає інтервал часу, у межах якого сигнал існує. Він виражається в с, мс, мкс, нс, пс.

Динамічний діапазон - це відношення найбільшої миттєвої потужності сигналу до тієї найменшої потужності, яку необхідно відрізняти від нуля при заданій якості передачі. Він виражається в децибелах (дБ), а також в неперах (Нп), причому 1Нп = 8,68 дБ, а 1дБ = 0,115 Нп. Так, динамічний діапазон мови диктора, наприклад, дорівнює 25...30 дБ, невеликого вокального ансамблю 45...65 дБ, симфонічного оркестру 70...95 дБ. Щоб уникнути перевантажень каналу в радіомовленні динамічний діапазон часто скорочують до 35...45 дБ.

Ширина спектра сигналу ,є параметром, який дає уяву про швидкості зміни сигналу усередині інтервалу його існування. Спектр сигналу в принципі може бути необмеженим. Однак для будь-якого сигналу можна вказати діапазон частот, у межах якого зосереджена його основна енергія. Цим діапазоном і визначається ширина спектра сигналу. Вона виражається в Гц, кГц, МГц, ГГц, ТГц.

У техніці зв'язку спектр сигналу часто свідомо скорочують. Це обумовлено тим, що апаратура й лінія зв'язку мають обмежену смугу частот, що пропускають.

Скорочення спектра здійснюється виходячи із припустимих перекручувань сигналу. Наприклад, при телефонному зв'язку потрібно, щоб мова була розбірлива й щоб кореспонденти могли довідатися один одного по голосі. Для виконання цих умов досить передати мовний сигнал у смузі від 300 до 3400 Гц. Передача більш широкого спектра мови в цьому випадку недоцільна, тому що веде до технічних ускладнень і збільшення витрат.

Аналогічно необхідна ширина спектру телевізійного сигналу визначається необхідною чіткістю зображення. При стандарті в 625 рядків верхня частота сигналу досягає 6 МГц. Спектр сигналу зображення багато ширше спектра сигналу звукового супроводу. Це істотно ускладнює побудову систем телевізійного віщання в порівнянні із системами звукового віщання. Ширина спектра телеграфного сигналу залежить від швидкості передачі й звичайно приймається рівної  =1,5v, де v — швидкість передачі (телеграфування) у Бодах, тобто число символів, переданих у секунду. Так, при телетайпній передачі v = 50 Бод й тоді =75 Гц.

Спектр модульованого сутужніше передати сигналу звичайно ширше спектра переданого повідомлення (первинного сигналу) і залежить від виду модуляції.

Добуток основних параметрів сигналу називають об’ємом сигналу.

(1.1)

Об’єм сигналу є узагальненою характеристикою сигналу як носія інформації. На практиці іноді використовується геометричне зображення об’єму сигналу у вигляді прямокутного паралелепіпеда в тривимірному просторі з координатами Т, і D. Чим більше обсяг сигналу, тим більше інформації можна "вкласти" у цей обсяг і тем такий сигнал по каналу зв'язку з необхідною якістю.