7. Информационная модель канала передачи

7.1. Формы представления информации. Виды сигналов.

Доставка сообщения от источника к потребителю осуществляется двумя способами:

- непосредственно (например, личный контакт);

- опосредованным (с использованием технических средств, в качестве которых могут выступать различные системы связи).

Для того, чтобы информацию можно было доставлять, хранить, обрабатывать и использовать, она должна быть представлена в виде сообщений. Информация всегда представляется в виде сообщения, которое передается некоторой физической средой. Носителем информации может быть любая предметная среда, которая меняет состояние в зависимости от передаваемой информации. Это может быть бумага, на которой информация изображается либо знаками, либо специальными отметками (например, перфорация); магнитный материал (лента, диск и т. п.), состояние которого меняется с помощью магнита; электрический сигнал, у которого изменяется какой-либо параметр (частота, амплитуда).

Различают четыре вида сигналов (рис. 7.1):

- непрерывный непрерывного времени (рис. 7.1, ,б);

- непрерывный дискретного времени (рис. 7.1, ,б);

- дискретный непрерывного времени (рис. 7.1, с);

- дискретный дискретного времени (рис. 7.1, д).

Рис. 7.1. Виды электрических сигналов

7.2. Спектральное представление сигнала

Сигнал может иметь двоякое представление во временной и частотной области. Представление сигнала в частотной области называется спектральным.

Пусть начальная фаза гармонического сигнала , а частота принимает конкретное значение :

.

Колебания заданной частоты, амплитуды и начальной фазы можно представить в виде двух графиков: на одном из них на частоте изобразить линию высотой (рис. 7.2, б) , на другой - линию, равную значению фазы (рис. 7.2, в).

Рис. 7.2 Представление колебаний заданной частоты в виде двух графиков

Периодический сигнал любой формы может быть представлен в виде суммы (в общем случае бесконечный) гармонических колебаний. В эту сумму могут входить как чётные, так и нечетные гармоники, а амплитуда S_k и начальные фазы принимают конкретные значения в зависимости от формы сигнала:

.

Это так называемый ряд Фурье. Значения амплитуды включая и можно вычислить по формуле:

где - период колебаний основной частоты. Эта формула позволяет получить спектр сигнала.

Если использовать формулу Эйлера:

,

то можно получить комплексную форму ряда Фурье:

,

где *вычисляется по вышеприведенной формуле. Данная формула позволяет найти сам сигнал , если заданы спектральные составляющие.

Сигналы, используемые для передачи информации, являются непереодическими. Практически все сигналы имеют бесконечно широкий спектр частот, и чтобы форма сигнала в пункте приема точно совпадала с формой сигнала в пункте передачи, необходимо передавать этот бесконечно широкий спектр. Сделать в реальных условиях невозможно, да и в этом нет практической необходимости. Поскольку основная часть спектра сосредоточена в конечном интервале частот, то на практике спектр сигнала ограничивают до такой степени, при которой еще возможно восстановление исходного сообщения. Например, при телефонной связи требуется выполнить два условия – разборчивость и узнаваемость; при передаче телевизионного сигнала требуется сохранить требуемую четкость изображения и т.д. Таким образом, для передачи информации рассчитывается ширина спектра различных сигналов, т.е. та часть спектра, которую необходимо передать по линии связи для уверенного восстановления сигнала при приеме с требуемой достоверностью.

Передавать с помощью системы связи дискретные сигналы нет необходимости. Достаточно обозначить цифрами все разрешенные уровни и передавать дискретные сигналы, соответствующие этим цифрам. Сформированные таким образом дискретные сигналы называют цифровыми, а операцию установления соответствия между цифрами значениями дискретных сигналов – кодированием.

a(t)

S(t)

s^’(t)

a^’(t)

Система связи

Линия свзи (пере-носчик)

Рис. 7.3. Информационная модель канала с шумами

Возможность передачи сообщения посредством электрического сигнала реализуется с помощью канала связи, соединяющего источник и приемник информации (рис. 7.3). Чтобы передать информацию, необходимо ее предварительно преобразовать.

Кодирование — преобразование сообщения в форму, удобную для передачи данному каналу. Источник формирует сообщение a(t). В качестве простого примера можно привести передачу сообщения в виде телеграммы. Все символы кодируются с помощью телеграфного кода. В случае передачи речи такое преобразование выполняет микрофон, при передаче изображения – видеокамера, при передаче телеграммы – передающая часть телеграфного аппарата.

Декодирование — операция восстановления принятого сообщения. В систему связи необходимо ввести устройства для кодирования и декодирования информации (рис. 7.3). Теоретическое обоснование таких систем дал в своих работах К. Шеннон. Рядом теорем он показал эффективность введения кодирующих и декодирующих устройств, назначение которых состоит в согласовании свойств источника информации со свойствами канала связи. Одно из них (кодирующее устройство, или кодер) должно обеспечить такое кодирование, при котором путем устранения избыточности информации существенно снижается среднее число символов, приходящееся на единицу сообщения. При отсутствии помех это непосредственно дает выигрыш во времени передачи или в объеме запоминающего устройства. Такое кодирование называют эффективным (или оптимальным), так как оно повышает эффективность системы. При наличии помех в канале передачи оно позволяет преобразовать входную информацию в последовательность символов, наилучшим образом отвечающую задачам дальнейшего преобразования. Другое кодирующее устройство (кодер канала) обеспечивает заданную достоверность при передаче или хранении информации путем введения дополнительно избыточности информации. Такое кодирование избыточным или помехоустойчивым. Помехоустойчивость достигается учетом не только интенсивности помехи, но и ее статистических закономерностей.

Перенос сигнала из одной точки пространства в другую осуществляет система связи, которая представляет собой сложный комплекс взаимодействующих технических средств. Электрический сигнал представляет, по сути, формой представления сообщения для передачи по системам связи. Доставленный в пункт приема сигнал должен быть снова преобразован в сообщение a^’(t) и затем передан получателю (рис. 7.3).

1

Рис. 7.4. Регенерация сигналов

Передача сигнала всегда сопровождается воздействием помех и искажений (рис. 7.4). Излучение в линии связи и затухание электромагнитного поля приводят к снижению в линии связи уровня сигнала, а промышленные помехи искажают форму сигнала. Это приводит к тому, что сигнал на выходе системы связи s^’(t) и принятое сообщение a’(t) могут в какой – то мере отличаться от сигнала s(t) и сообщения a(t) (см. рис.7.3). В процессе преобразования сообщения в сигнал может осуществиться помехоустойчивое кодирование, а с целью рационального использования ресурсов линии связи – ее уплотнение. Для повышения достоверности передачи сигналы в линиях связи через определенные расстояния сигнал регенерируют, т.е. проводится фильтрация и усиление сигнала. Для телефонии регенеративные участки ориентировочно составляют:

- для линий на витой паре в городских условиях –6 км.;

- для линий на коаксильном кабель 8 км.;

- радиоканал – до 70 км. (прямая видимость);

- оптоволоконные линии связи порядка 100 км. (технология DWDM обеспечивает передачу со скоростью 100 Гбит/c на расстояние до 500 км. без преобразования сигнала в электрический сигнал).

На рис. 7.3. представлена одноканальная схема передачи. На практике для передачи больших объемов данных в системах реального времени могут применяться многоканальные системы. В этом случае данные разбиваются на пакеты и передаются одновременно по нескольким каналам.

Чтобы передать сигнал в систему транспортировки необходимо воспользоваться каким – либо переносчиком. В качестве переносчика используются: электромагнитное поле в проводах (проводная связь), электромагнитное поле в пространстве (радиосвязь), световой луч (оптическая связь). Таким образом, в пункте передачи первичный сигнал s(t) надо преобразовать в сигнал, удобный для передачи по соответствующей среде распространения. В отдельных случаях (например, когда средой распространения является пара проводов, как в городской телефонной сети) указанное преобразование сигнала может отсутствовать.

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

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

(дб),

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

В реальных условиях 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.

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 - величина, характеризующие затухание и время задержки сигнала.

Канал связи должен обеспечить требуемую достоверность, полноту, объективность полученной информации. Для организации эффективной передачи информации по каналу требуется решение следующих проблем:

- определение максимально возможной скорости передачи информации по каналу;

- разработка кодов, позволяющих увеличить скорость передачи информации;

- согласование канала с источником с целью передачи информации с минимальными потерями.

Решение этих задач зависит от свойств источника, уровня и характера помех. В процессе передачи на большие расстояния передача данных может проводиться по коаксиальному кабелю, радиоканалу, оптоволоконная кабелю.

Преобразование дискретного сообщения в сигнал состоит из двух операций: кодирования и модуляции. Кодирование определяет закон построения сигнала, а модуляция — вид формируемого сигнала, который должен передаваться по каналу связи.

Простейшим примером дискретного сообщения является текст. Любой текст состоит из конечного числа элементов: букв, цифр, знаков препинания. Для европейских языков число элементов колеблется от 52 до 55, для восточных языков оно может исчисляться сотнями и даже тысячами. Так как число элементов в дискретном сообщении конечно, то их можно пронумеровать, и тем самым, свести передачу сообщения к передаче последовательности чисел.

Так, для передачи букв русского алфавита (их 32) необходимо передавать числа от 1 до 32. Для передачи любого числа, записанного в десятичной форме, требуется передача десяти цифр от 0 до 9. Практически для этого нужно передавать по каналу связи десять сигналов, соответствующих различным цифрам. Систему передачи дискретных сообщений можно существенно упростить, если воспользоваться при кодировании двоичной системой счисления.

Всякий сигнал получается путем модуляции. Немодулированный переносчик не несет информации — он подобен чистому листу бумаги, в то время как модулированный переносчик можно сравнить с листом бумаги, на котором написаны буквы и знаки, отображающие информацию.

Модуляция состоит в том, что один из параметров переносчика f(a,b,c,...) изменяется во времени в соответствии с передаваемым сообщением u(t).

Модулированные сигналы различаются переносчиками и модулируемыми параметрами. Число возможных видов модуляции при данном виде переносчика определяется числом его параметров.

На рис. 7.5. представлены простейшие коды передачи дискретных сообщений.

Рис. 7.5. Простейшие коды передачи

Код NRZ (Non Return to Zero – без возврата к нулю) – простейший код представляющий собой обычный цифровой сигнал (правда, код может быть преобразован на обратную полярность или изменены уровни, соответствующие нулю и единице). К несомненным достоинствам кода NRZ относятся его очень простая реализация (исходный сигнал не надо ни кодировать на передающем конце, ни декодировать на приемном конце), а также минимальная среди других кодов требуемая при данной скорости передачи пропускная способность линии связи. Недостатком кода является то, что при передачи на большое расстояние или при передачи большого объема данных может произойти потеря данных из-за того, что частоты приемника и передатчика отличаются (например, из-за разнице температур могут отличаться на доли процента). Этом код применяется для передачи данных на небольшое расстояние (несколько метров) при передачи пакетов небольшого объема (порты COM1: и COM2:) и на персональных компьютерах и для передачи сообщений в старт-стопном режиме, т.е. посимвольная передача (например, посимвольный ввод знаков с клавиатуры персонального компьютера).

Следующий код называется код с самосинхронизацией Манчестер II. Кодирование производится не уровнем сигнала, а сменой уровня сигнала в середине интервала. Данный код позволяет приемнику и передатчику согласовать частоту работы, что обеспечивает высокую достоверность передачи. Этот код реализован в локальных сетях при передаче сообщений по витой паре (длина линии связи до 100 метров, скорость передачи 100 Мбит/с).

Код RZ (трехуровневый с самосинхронизацией с возвратом к нулю) применяется, например, в оптоволоконных линиях. Высокий уровень сигнала кодирует «1», слабый уровень сигнала соответствует отсутствию передачи, отсутствие сигнала соответствует «0». Такое кодирование позволяет в отсутствии передачи контролировать целостность оптоволоконной линии связи (этим обеспечивается целостность линии при попытке несанкционированной доступа к каналу).

Следующие коды применяются для кодирования двоичной информации по радиоканалам: АМ – амплитудная модуляция, ЧМ – частотная модуляция, ФМ – фазовая модуляция.

Error: Reference source not foundДекодирование состоит в восстановлении сообщения по принимаемым кодовым символам. Устройства, осуществляющие кодирование и декодирование, называются соответственно кодером и декодером. Как правило, это нелинейные логические устройства. Устройства, преобразующие код в сигнал (модулятор) и сигнал в код (демодулятор), принято называть модемам.

Передача сообщений по каналу связи осуществляется с помощью некоторого физического процесса, который называется переносчиком. В системах передачи информации переносчиком является электрическое колебание.

Рис. 7.6. Процесс преобразования дискретного сообщения.

Рис. 7.7. Процесс восстановления переданного сообщения в приемнике

На рис. 7.6 представлен процесс преобразования сообщения в цифровой код, цифровой код кодируется в видеосигнал (код NRZ), далее код с использование амплитудной модуляции (АМ) передается по радиоканалу, а на приемной стороне проводится обратная операция (рис. 7.7).

Вопросы.

1. Что такое сигнал? Виды сигналов

2. Что есть канал связи? Характеристики каналов.

3. Что такое регенерация сигналов?

4. Как можно бороться с помехами?

5. Что такое эффективное кодирование и помехоустойчивое кодирование.

6. Что такое уплотнение канала?

7. Какие задачи необходимо решить для передачи информации на значительные расстояния?

1. Модуляция и демодуляция.

2. Чем определяется кодирование канале связи?

3. Код NRZ. Достоинства и недостатки.

4. Код Манчестер II. Достоинства и недостатки.

5. Код RZ.

6. Зачем нужна модуляция АМ, ЧМ, ФМ?

7. Какие задачи необходимо решить при передаче информации по каналам связи?

8. Что такое информация, сообщение, сигнал?

9. Как происходит преобразование непрерывного сообщения в сигнал?

10. Дайте определение основным характеристикам сигнала?

11. Объяснить процесс кодирования сигнала.

12. Как происходит процесс преобразования дискретного сообщения в сигнал?

13. Каким образом восстанавливается переданное сообщение в приемнике?