Общие понятия о передаче информации на расстояние

3.1 Информация, сообщения, сигналы.3.2 Структурная схема системы электросвязи.

3.3 Канал электросвязи, линия передачи, сети связи.

3.4 Объединение различных видов электросвязи. 3.5 Единая сеть электросвязи РБ.

3.6 Виды электросвязи. 3.7 Компьютерные сети.

3.1 Информация, сообщения, сигналы

Информация. Стремительное развитие отрасли связи в последние десятилетия обусловлено возрастающей потребностью современного общества в передаче различных видов информации.

В широком смысле под информацией понимают совокупность различных сведений, которые поступают от источника к получателю.

В технике информация часто определяется как сведения, являющиеся объектом передачи, распределения, преобразования, хранения или непосредственного использования.

Измерение количества информации. В современной науке и технике используется три основных подхода к измерению количества информации: семантический, содержательный и алфавитный.

Семантический подход используется для оценки эффективности получаемой информации. Он учитывает, насколько новой эта информация является для получателя. Семантический подход часто называют субъективным, так как разные люди информацию об одном и том же предмете оценивают по-разному.

В содержательном подходе наименее вероятное и наименее ожидаемое сообщение считается наиболее информативным. Информация рассматривается как снятая неопределенность в науке, называемой теория информации. При этом считается, что сообщение, уменьшающее неопределенность знаний в два раза, несет 1 бит информации.

При хранении, обработке или передаче информации с помощью компьютера не принимается во внимание содержание информации. Носителями информации являются любые последовательности символов. В этом случае для измерения информации используется алфавитный подход.

Алфавитом называется множество используемых в тексте символов. Полное количество символов алфавита называется его мощностью.

Единица измерения количества информации называется бит (от англ . bit, сокращенно от binary digit – двоичная цифра). Бит - самое короткое слово двоичного алфавита и самая маленькая единица измерения информации, где символы 0 и 1 равноправны.

Теоретически количество символов, которые могут составлять алфавит выбранного кодирования, не ограничено. Компьютерные редакторы, в основном, работают с алфавитом мощностью 256 символов. Он считается достаточным, т.к. вмещает практически все необходимые символы: латинские, русские и белорусские буквы, цифры, знаки арифметических операций, знаки препинания, различные скобки, пробелы и т.д.

Информационный вес одного символа вычисляется по формуле: x=log2N, где N - мощность алфавита. Таким образом, один символ из алфавита мощностью 256 несет в тексте 8 бит информации. Такое количество информации называется байт. 1 байт = 8 бит.

При алфавитном подходе количество информации зависит от объема текста (то есть от числа знаков в тексте), а также от мощности алфавита. Такой подход позволяет посчитать количество информации на одной странице с текстом. В среднем страница содержит 3000 знаков (50 строк с 60 символами в каждой из них). Таким образом, объем информации на странице будет равен: 8 бит×3000=2400 бит.

Большие объемы информации измеряются производными от байта единицами: килобайт (1Кб = 1024 байта), мегабайт (1Мб = 1024 Кб), гигабайт (1Гб = 1024 Мб).

Прием и передача информации в компьютерных сетях могут происходить с разной скоростью. Скорость информационного потока, т.е. количество информации, которое передается за единицу времени, измеряется в таких единицах, как бит и его производные (килобит, мегабит и т.д.) в секунду.

Сообщение. В теории электрической связи сообщением называют совокупность сведений, которые предназначены для передачи и представлены в определенной форме. Различают звуковые (речь, музыка и др.) и оптические (подвижные и неподвижные изображения) сообщения.

Сообщение включает в себя не только саму информацию, которую необходимо передать. Оно содержит различные служебные сведения, которые необходимы для его правильной доставки (к примеру, адрес), а также дополнительную информацию, которая помогает обнаруживать и устранять возникающие при передаче сообщения ошибки.

Степень соответствия принятого сообщения переданному называется верностью передачи информации.

Процесс передачи-приема сообщения выглядит следующим образом. Отправитель кодирует смысл информации в сообщение, передаёт сообщение через среду общения получателю. Получатель получает сообщение и декодирует смысл.

По характеру изменения информационных параметров различают непрерывные и дискретные (прерывные) сообщения.

Непрерывным называется сообщение, которое описывается непрерывной функцией времени. Примерами такого сообщения является звуковые сообщения (передача речи по телефону, программа звукового вещания), полутоновые изображения и др.

Дискретное сообщение составляется из конечного числа отдельных элементов (символов, букв, импульсов), которые следуют друг за другом в определенной последовательности. Набор элементов, из которых составляются сообщения, обычно называют алфавитом. Примерами дискретных сообщений являются телеграфные сообщения, команды в системах управления и др.

Сигнал. В электросвязи передача различного рода сообщений происходит при помощи электриче­ских сигналов - электромагнитных колебаний. В электрический сигнал сообщения преобразуются с помощью специальных устройств.

Электрические сигналы имеют ряд преимуществ: они могут передаваться на весьма большие расстояния, изменения их параметров отображают передаваемые сообщения, их фор­му можно преобразовывать сравнительно простыми техническими средст­вами. Из-за того, что природа электромагнитных колебаний подобна природе видимого света, скорость распространения этих колебаний равна скорости света в вакууме - 299 792 458м/с≈3х10⁸ м/с. Расстояние в один километр луч света, также как и радиоволна, преодолевает за 3,3 мкс.

Сигнал электросвязи представляет собой совокупность элек­тромагнитных волн, которая распространяется по одностороннему каналу передачи и предназначена для воздействия на приемное устрой­ство. Таким образом, сигнал представляет собой физический процесс, который отображает передаваемое сообщение в виде кода. Кодировать сообщение можно различными способами: устно, письменно, жестами или сигналами другой природы. Кодирование информации – процесс её представления в другой форме более удобной для хранения, передачи или обработки.

Формирование сигнала связано с необходимостью передачи сообщения от отправителя к получателю.

Электрические сигналы, как и сообщения, могут быть непрерывными и дискретными (прерывными). Различают также цифровые сигналы, которые являются разновидностью дискретных. Примеры непрерывного, дискретного и цифрового сигналов представлены на рис. 3.1, рис. 3.2, рис. 3.3.

Рис.3.1 Аналоговый сигнал. Рис.3.2 Дискретный сигнал. Рис. 3.3 Цифровой сигнал

Информационный параметр непрерывного сигнала, например, напряжение, ток, напряженность электрического или магнитного поля, с течением времени может принимать любые мгновенные значения в определенных пределах. Непрерывный сигнал часто называют аналоговым.

Простейшим непрерывным сигналом является гармоническое колебание типа синусоиды (рис.3.4).

Рис.3.4 График гармонического Рис.3.5 Непериодический сигнал (верхний

колебания. Периодический сигнал. рисунок), периодический сигнал (нижний

рисунок)

Дискретный сигнал представляют собой дискретную последова­тельность отдельных импульсов. Он характеризуется конечным числом значений информационных параметров. Изменение параметров происходит скачками от одного значения к другому. Рассматриваемое понятие относится также и ко времени. Дискретность времени означает, что явления, сопровождающие изменения параметров, могут происходить лишь в определенные моменты.

Цифровым сигналом называется дискретный сигнал, в котором пере­ход от одного численного значения параметра к другому происходит через равные промежутки времени. Такой сигнал представляет собой импульсную последовательность, состоящую из двух цифр - 1 (наличие импульса) и 0 (отсутствие импульса). Таким образом, цифровой сигнал - это последовательность импульсов.

Помимо аналоговых и дискретных сигналов в теории и практике электросвязи также принято выделять другие виды сигналов. Так, все электрические сигналы (как непрерывные, так и дискретные) подразделяются на периодические (рис. 3.4, нижний рис.3.5) и непериодические (верхний рис.3.5). Периодическим называется сигнал, значения которого повторяются через определенные равные промежутки времени, называемые периодом повторения сигнала, или просто периодом колебаний. Для непериодического сигнала это условие не выполнятся. Непериодический сигнал, как правило, ограничен во времени. Пример периодического сигнала - гармоническое колебание (рис. 3.5). Непериодический сигнал можно рассматривать как периодический, но с периодом, стремящимся к бесконечности.

Рис. 3.6 Виды сигналов

Примерная классификация видов сигналов представлена на рис 3.6. По степени предсказуемости различают случайные и детерминированные сигналы. Случайным называют сигнал, у которого хотя бы один из параметров не может быть в точности предсказан заранее. Только случайный сигнал является переносчиком сообщения с новой информацией.

Наряду с полезными случайными сигналами по линиям связи передаются случайные помехи (шумы). Помехой является постороннее электрическое колебание, которое мешает нормальному приему полезного сигнала. Полезным сигналом сигнал, который несет нужную пользователю информацию. Шумы и помехи существенно ограничивают скорость и качество передачи информации. Поэтому в теории и практике электросвязи изучение случайных сигналов неотделимо от изучения шумов.

Детерминированным называется сигнал, который полностью предсказуем. Заранее и достоверно известный сигнал уже не содержат информации. В детерминированном сигнале отсутствует новая информация, так как он соответствует заранее известному сообщению. Такие сигналы необходимы в системах связи. Они отображают эталонные сигналы, несущие колебания и т.д.

Преобразование аналогового сигнала в цифровой. Основное преимущество получаемого или передаваемого цифрового сигнала состоит в высоких показателях его качества. Сегодня обработка аналоговых сигналов с использованием цифровых преобразований широко используется в различных областях науки и техники, в которых прежде доминировали аналоговые системы.

Цифровой сигнал – это последовательность импульсов. Цифровыми сигналами являются телеграфные сигналы, сигналы передачи данных, вырабатываемые компьютерами и т.д.

Большинство сигналов имеют аналоговую природу, то есть изменяются непрерывно во времени и могут принимать любые значения на некотором интервале. Аналоговые сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении.

Процедуру аналого-цифрового преобразования сигнала (оцифровку) обычно представляют в виде последовательности трех операций (этапов): дискретизации по времени, квантования по уровню и кодирования. Совокупность этих операций называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ).

Преобразование аналогового сигнала в цифровой связано с решением проблемы замены непрерывного процесса последовательностью цифр и сохранения при этом достаточной полноты информации о непрерывном процессе.

Подобную задачу приходится решать при построении любой кривой, отражающей непрерывный процесс (к примеру, изменения суточной температуры воздуха, колебания уровня воды при приливах и отливах и т.д.). Такая кривая строится в соответствии с отдельными цифровыми значениями, которые были отсчитаны через определенные временные интервалы. Чем короче будут эти интервалы, тем точнее кривая, состоящая из отдельных соединенных точек, которые отражают непрерывный процесс. Иными словами, на таком графике непрерывный по сути процесс представлен последовательностью цифр.

Аналогичный подход лежит в процессе первого этапа преобразования непрерывного (например, телефонного) сигнала в цифровой. Он называется дискретизацией непрерывного сигнала. Если в цепь микрофона встроить электронный ключ и периодически на короткие мгновения замыкать его, то ток в цепи будет представлять собой дискретный сигнал. При приеме такого сигнала степень корректности его восстановления будет зависеть от того, с какой частотой (или через такой интервал времени) брались отсчеты. Если частота отсчетов была недостаточной, то часть информации при восстановлении может быть потеряна.

Частота взятия отсчетов значений непрерывного сигнала называется частотой дискретизации. Интервал времени, через который отсчитываются эти значения, называется интервалом дискретизации. Понятно, что чем меньше интервал дискретизации и, соответственно, выше частота дискретизации, тем меньше различия между исходным сигналом и его дискретизированной копией.

При решении вопроса о выборе частоты дискретизации аналогового процесса используют известную теорему Найквиста-Котельникова, которая является основополагающей для теории и техники цифровой связи. Ее суть состоит в том, что непрерывный сигнал, у которого спектр ограничен верхней частотой F, может быть полностью и однозначно восстановлен по его дискретным отсчетам, взятым с частотой = 2F, т.е. через интервалы времени .

К примеру, для телефонного канала самым высокочастотным колебанием считается 3400Гц (по рекомендации Международного союза электросвязи). В соответствии с теоремой Найквиста - Котельникова для качественной передачи голоса достаточно выбрать частоту дискретизации 2 * 3400 = 6800 Гц , т.е. должна быть не ниже 6800 Гц. В действительности частота дискретизации выбирается равной 8000 Гц, что обеспечивает достаточный запас качества при передаче голоса.

Вторым этапом оцифровки аналогового сигнала является квантование. Квантование – это преобразование непрерывного сигнала в сигнал с определенными значениями амплитуды (дискретизация по уровню).

Если дискретизация разбивает сигнал по временной составляющей (на рис. 3.7- по горизонтали), то квантование приводит сигнал к заданным значениям, то есть, разбивает по уровню (на рис . 3.8- по вертикали)

Рис. 3.7. Дискретизация по времени Рис.3.8 Квантование по уровню

При квантовании дискретизированного аналогового сигнала по уровням диапазон возможных значений амплитуд делится на отрезки. Границы этих отрезков являются разрешенными для передачи значений амплитуд импульсов. Таким образом, действительное значение сигнала заменяется ближайшим разрешенным. Шкала разрешенных значений называется шкалой квантования, а интервал между ними – шагом квантования. Квантование по сути является округлением чисел. Естественно, чем меньше шаг квантования, тем ближе квантованные значения к истинным.

В процессе квантования используются как равномерные, так и неравномерные шкалы. На рис. 3.9 показаны исходный аналоговый сигнал и его квантованная версия, полученная с использованием равномерной шкалы квантования.

Рис. 3.9 Аналоговый и дискретизированный по времени сигналы

Рис. 3.10 Аналоговый и квантованный по уровню дискретизированный сигналы

Квантованный сигнал, в отличие от исходного аналогового, может принимать только конечное число значений. Это позволяет представить его в пределах каждого интервала дискретизации числом, равным порядковому номеру уровня квантования.

Квантование позволяет перейти к третьему этапу оцифровки - кодированию сигнала, которое представляет собой мощное средство борьбы со случайными помехами, которые всегда возникают в системе связи.

Для кодирования звуковых и оптических сигналов широко применяют двоичный код. Организация этого способа кодировки технически проста. Единица означает наличие электрического сигнала, а нуль – его отсутствие. Результатом кодирования сигнала является поток двоичных цифр — трафик цифровых сетей.

На рис.3.11 показаны два основных метода передачи цифровой информации: параллельный и последовательный. Временные диаграммы показывают, как меняется уровень цифрового сигнала во времени.

Рис. 3.11. Временная диаграмма передачи параллельного и последовательного цифровых потоков

При параллельной передаче используется несколько линий (проводов). Для каждого разряда выделяется своя линия связи , при этом все разряды передаются одновременно. При последовательной передаче используется только одна линия связи (провод), так что каждый разряд передается последовательно.

Процесс оцифровки (дискретизация, квантование и кодирование) выполняется одним устройством - аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Сейчас АЦП может быть просто интегральной микросхемой.

Обратная процедура, т.е. восстановление аналогового сигнала из последовательности кодовых слов, производится в цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП). Поскольку квантование сигналов всегда выполняется с определенной и неустранимой погрешностью, операции АЦП и ЦАП не являются взаимно обратными.

Достоверность принятой информации на приёмном конце линии связи определяется рядом факторов, основными из которых являются отношение сигнал/шум и искажение сигнала. Обобщенным параметром качества цифровых систем передачи является коэффициент битовых ошибок (англ. Bit Error Rate, BER). Он показывает интенсивность (частоту) появления ошибочных битов при передаче данных.

Кодирование с исправлением ошибок (помехоустойчивое кодирование), представляет собой метод обработки сигналов, предназначенный для увеличения надежности передачи по цифровым каналам.

Обнаружение и исправление ошибок при передаче информации. Для борьбы с возникающими ошибками в передаваемый цифровой сигнал вводится специальным образом сконструированная избыточность. Это позволяет принимающей стороне обнаруживать, а в некоторых случаях и исправлять определённое число ошибок.

В цифровой технике термин «избыточность» применяют, когда алфавит кода искусственно расширен для обнаружения и исправления ошибок в кодовых комбинациях.

Цифровое избыточное кодирование состоит в добавлении к исходной информации дополнительных бит, а также в изменении длины или структуры исходной битовой цепочки. Помехоустойчивые коды различаются степенью избыточности, а также возможностью обнаружения и исправления ошибок.

Для повышения стойкости цифрового сигнала к помехам и искажениям применяется цифровое избыточное кодирование с использованием кодов двух типов: проверочных (англ.Error Detection Code – EDC, обнаруживающий ошибку код) и корректирующих (англ. Error Correction Code - ECC, исправляющий ошибку код).

EDC позволяет обнаруживать факт ошибки – искажение, выпадение полезной цифры.

ECC позволяет не только обнаруживать, но и сразу исправлять ошибки, сохраняя переносимую информацию неизменной.

Каждый вид EDC/ECC имеет свой предел способности обнаруживания и исправления ошибок. Увеличение объема EDC/ECC относительно объема исходной информации повышает обнаруживающую и корректирующую способности этих кодов.

В качестве EDC обычно применяется циклический избыточный код CRC (англ.Cyclic Redundancy Check). В качестве ECC используются коды Хэмминга (Hamming) и Рида-Соломона (Reed-Solomon), которые также включают в себя и функции EDC.

Перевод чисел из десятичной системы счисления в двоичную систему счислений. Существует несколько способов перевода чисел из десятичной в двоичную систему счисления. Один из них – метод деления.

Пусть Ац = а n-1 х 2 n-1 +... + а 1 х 2 1 + а 0 х 2 0.

Разделим Ац на 2, тогда неполное частное будет а n-1 х 2 n-1 + … +а1 х2 1+ а 0. Полученное неполное частное опять разделим на 2, остаток от деления будет а1 и т.д. На n-м шаге получим набор остатков а 0, а 1, а 2, ..., а n-1, которые входят в двоичное представление числа Ац и совпадают с остатками от последовательного деления данного числа на 2. Перепишем остатки в обратном порядке. Получим

Ац = а n-1 а n-2 ... а 1 а 0

Пример. Переведем в двоичную систему число 234. Будем делить 234 последовательно на 2 и записывать все остатки от деления:

Выписав все остатки, начиная с последнего, получим двоичное разложение числа 234₁₀ = 11101010₂ .

Вопросы и задания:

1. Что понимают под информацией в широком смысле и информацией в технике? Дайте свое определение понятию «информация»

2. Объясните, какой подход к измерению информации называют алфавитным.

3. Какое количество информации в битах (байтах, килобайтах) содержит книга в 150 страниц стандартного печатного текста?

4. Что такое сообщение? Виды сообщений.

5. Как соотносится понятие сигнал с понятиями информация и сообщение?

6. Назовите причины, по которым для связи используются электрические сигналы.

7. Чем отличаются аналоговые сигналы от дискретных? Какой сигнал называется цифровым?

8. Рассмотрите рис.3.6 и характеризуйте виды сигналов. К каким видам сигналов можно отнести шумы?

9. Расставьте этапы преобразования аналогового сигнала в цифровой в нужной последовательности: кодирование, дискретизация, квантование. Характеризуйте каждый из этапов.

10. Выберите правильные ответы. Сообщения могут передаваться следующими

сигналами 1)аналоговыми; 2)дискретными; 3)цифровыми; 4)периодическими;

4)непериодическими.

11. Переведите число 20 из десятичной системы в двоичную систему счисления.

.

3.2 Структурная схема системы электросвязи

Система электросвязи – это совокупность технических средств и среды распространения сигналов, обеспечивающая передачу сообщений от источника к получателю. Обобщенная структурная схема системы представлена на рис.3.12. Cистема электросвязи иначе называется телекоммуникацион­ной системой.

ИС- источник сообщения; ППСС- первичный преобразователь сообщения в электрический сигнал, или оконечное устройство; Пд - передатчик; ЛС- линия электросвязи, среда распространения сигналов электросвязи; Пр - приемник; ОПСС -обратный преобразователь электрического сигнала в сообщение, или оконечное устройство; ПС- получатель сообщения ; ИП -источник помех .

Рис. 3.12 Структурная схема системы электросвязи

Иногда в понятие «система связи» включаются источник и получатель сообщений.

Независимо от вида передаваемых сообщений обязательными компонентами любой системы связи являются передающее устройство, линия связи и приемное устройство. На структурной схеме системы электросвязи (рис.3.12) приведены только основные ее компоненты. Каждый из них выполняет несколько функций в зависимости от назначения системы.

В общем виде передача сообщения от источника к получателю включает ряд обязательных процессов. С выхода источника сообщения ИС оно поступает на вход первичного преобразователя сообщения в сигнал ППСС, где сигнал неэлектриче­ской природы преобразуется в первичный электрический сигнал. В пере­датчике Пд (с помощью модулятора) первичный сигнал преобразуется во вторичный. В полученном виде он хорошо согласуется с характеристиками среды, используемой для передачи сигналов от передатчика к приемнику, т.е. линией связи ЛС и наиболее удобен для передачи.

Сигнал на входе приемника отличается от переданного сигнала на выходе передатчика. В процессе передачи электрический сигнал искажается и ослабляется. Причиной этого являются помехи, которые присутствуют в любом узле системы передачи, но главным образом на линии связи.

Причиной и источниками помех могут становиться различные факторы. Они могут быть классифицированы по различным признакам. Так, по происхождению они делятся на естественные и искусственные. К естественным помехам относят космические шумы, атмосферные помехи, радиоизлучение Земли и т.д. Искусственные помехи – это излучение промышленных установок, радиостанций, радиолокаторов, бытовых электроприборов и т. д.

На вход приемника Пр поступает сумма вторичного сигнала и помех. Приемник (с помощью демодулятора) выделяет из нее вторичный электрический сигнал и преобразует его в первичный. В обратном преобразователе приема ОПСС первичный электрический сигнал преобразуется в копию передаваемого сообщения, которое поступа­ет к получателю сообщения ПС.

Первичные преобразователи сообщений (ППСС и ОПСС) называются оконечными устройствами. Оконечные устройства (терминалы) также часто называются абонентскими, так как они устанавливаются у абонентов. Так, абонентскими устройствами могут являться телефонный аппарат, факс, автоответчик, телевизионный приемник и т.п.

.

Вопросы и задания:

1. Приведите определение системы электросвязи. Поясните это понятие своими словами.

2. Рассмотрите структурную схему системы электросвязи (рис.3.12). Назовите основные компоненты этой системы.

3. Как вы объясните тот факт, что источник сообщения и получатель сообщения не включены в систему электросвязи, а источник помех входит в нее?

4. Какие обязательные процессы включает передача сообщений от источника информации к ее получателю?

5. Почему сигнал на выходе передатчика отличается от сигнала на входе приемника?

6. Приведите примеры оконечных устройств. Как еще называют оконечные устройства? Можно отнести к оконечным устройствам мобильный телефон, ноутбук?