AdInf3 (Лекции по информатике)

ДОПОЛНЕНИЕ 3.

ИНФОРМАЦИОННЫЙ КАНАЛ.

Проблемы организации связи уходят в глубь веков. Само существо человека требовало общения и обмена информацией. Прообразом линий связи была сигнализация с помощью костров, использование оптических и акустических сигналов. Также давно возникла идея ретрансляционных станций. По принципу передачи информации современные радиорелейные линии берут свое начало от курьерской почты (relay означает "смену лошадей"). Во Франции во время Великой французской революции впервые были организованы приемопередающие станции на башнях и холмах, образуя регулярные линии связи.

Двадцать лет после Великой французской революции в
1837 г. американец Морзе разработал систему телеграфного аппарата и предложил код, состоящий из точек и тире. Таким образом, только в начале XIX в. попытки изобрести электрическую связь увенчались успехом. В 1832 г. русский академик П. Шиллинг построил первую линию телеграфной связи, в 1876 г. американец Белл получил патент на изобретение телефона, положив начало речевой связи по проводам.

Начало XX в. ознаменовалось изобретением радио русским ученым А. С. Поповым.

В 1956 г. фирма Bell Laboratories построила первую цифровую линию связи для передачи речи по принципу импульсно-кодовой модуляции. Запуск искусственного спутника Земли в СССР в октябре 1957 г. положил начало эре спутниковой связи.

Современное общество - генератор больших объемов информации. И если даже только часть этой информации нуждается в передаче на значительные расстояния, эта часть весьма внушительна. Сейчас трудно себе представить размеры этого информационного массива: телеграммы, письма, речевые сообщения, метеосводки, банковские счета, газеты, журналы, телевизионные программы. Современные системы связи способны передавать сообщения в любой форме: телеграфные, телефонные, телевизионные, массивы данных, печатные материалы, фотографии и др.

В соответствии со спецификой передаваемых сообщений организуется канал, представляющий собой комплекс технических средств, обеспечивающих передачу сигналов от источника к потребителю. К основным параметрам, характеризующим канал связи, относятся ширина полосы пропускания, допустимый динамический диапазон изменений амплитуды сигнала, время передачи сигнала, а также уровень помех.

По рекомендации Международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии (МККТТ) для передачи телефонных сообщений достаточна полоса частот от 300 до 3400 Гц, динамический диапазон до 35 дБ. При этом слоговая разборчивость, определенная экспериментально, составляет 90 %. Каналы вещания для высококачественной передачи звука должны иметь полосу 30 - 15000 Гц и динамический диапазон 56 - 60 дБ. Для передачи телевизионных изображений необходима полоса пропускания до 6 МГц.

Передача больших информационных потоков на значительные расстояния осуществляется с помощью кабельных, радиорелейных и спутниковых линий связи. В ближайшие годы можно ожидать широкого применения оптической связи по оптическим кабелям.

В этой главе мы остановимся на основных принципах передачи информации с помощью электрических сигналов. Эти принципы, многие из которых носят фундаментальный характер, прочно вошли в практику не только систем электросвязи, но и вычислительной техники, и, конечно, информационных технологий.

Сообщение для передачи с помощью средств электросвязи (так у нас принято называть то, что американцы называют telecommunication) должно быть предварительно преобразовано в сигнал, под которым понимается изменяющаяся физическая величина, адекватная сообщению. Процесс преобразования сообщения в сигнал называется кодированием.

Как лучше передать электрический сигнал? По физическим законам излучение электромагнитных волн эффективно, если размеры излучателя соизмеримы с длиной излучаемой волны, поэтому передача сигналов по радиоканалам, кабелям, микроволновым линиям производится на высоких частотах (т. е. на весьма коротких волнах). Сигнал передается на несущей частоте. Процесс изменения параметров несущей в соответствии с сигналом, передаваемым на этой несущей, называют модуляцией. Модуляция - основной процесс или функция передатчика.

Кстати, таким же образом распорядилась природа, решив задачу излучения звуковых колебаний человеком. Так как губы человека способны делать не более 10 движений в секунду, человек может излучать звуковые колебания частоты 10 Гц, что соответствует длине волны 33 км. Размеры полости рта настолько малы по сравнению с излучаемой длиной волны, что движение губ человека никто бы не слышал. Природа позаботилась о голосовых связках, излучающих гармоническую несущую, которая затем модулируется с помощью мышц полости рта.

Гармоническая (синусоидальная) несущая имеет три информационных параметра, которые можно модулировать - амплитуду, частоту и фазу. Соответственно этому при передаче сигналов используют амплитудную, частотную и фазовую модуляцию, которая в случае дискретных сигналов называется манипуляцией.

Наиболее помехоустойчивой, т. е. невосприимчивой к помехам, оказывается фазовая модуляция или манипуляция (ФМн). Это объясняется "амплитудным" характером воздействующих помех и такой параметр, как фаза несущей, менее других параметров подвергается губительному воздействию помех. Фазоманипулированный сигнал представляет собой отрезок гармонического колебания с изменяющейся на 180° фазой. В векторной форме это можно изобразить так, как показано на рисунке .

При векторном изображении сигналов помехи также можно рассматривать как случайные вектора со случайной амплитудой и фазой. Такое геометрическое представление сигналов и помех позволяет легко понять, почему ФМн сигнал с двумя значениями фазы оказывается наиболее помехоустойчивым. Дело в том, что приемник при приеме сигналов решает задачу: в какой из областей решения находится сигнал (верхней или нижней, см. рис). В том случае, когда область принятия решения состоит только из двух частей, вероятность ошибки наименьшая. Однако если 2ФМн сигнал переносит один сигнал, то 4ФМн переносит сразу два сигнала (рис. 5, б), 8ФМн - четыре сигнала (рис. 5, в).

Прохождение сигналов по каналу связи всегда сопровождается искажениями и воздействием помех. Поэтому основной функцией приемника является распознавание принимаемых колебаний переданного сигнала. Эту операцию приемник воспроизводит в процессе демодуляции (детектирования, по английски detection - обнаружение), т. е. в процессе выделения передаваемого сигнала, после чего он преобразовывается в сообщение. Эти процессы условно показаны на рисунке.

П О М Е Х И

ИИ - источник информации (сообщение)

ПИ – преобразователь информации в электрический сигнал

КУ – кодирующее устройство

ГНЧ - генератор несущей частоты

М - модулятор

Аи – антенна источника информации (передающая)

Ап – антенна приемника информации (приемная)

ИВЦ – избирательная входная цепь

УВЧ – усилитель высокой частоты

Д – детектор (демодулятор)

УНЧ – усилитель низкой частоты

ДУ – декодирующее устройство РУ - регистрирующее устройство

Каналом передачи информации называют совокупность технических средств, обеспечивающую передачу электрических сигналов от одного пункта к другому. Входы канала подключаются к передатчику, а выходы - к приемнику. Непременной составной частью любого канала является линия связи - проводная, кабельная, радио, микроволновая, оптическая, спутниковая.

В современных цифровых системах связи основные функции передатчика и приемника выполняет устройство, называемое модемом. Он представляет собой совокупность передатчика и приемника в одном корпусе (в своем собственном или в корпусе компьютера) для осуществления проводной дуплексной связи. Если терминал находится на значительном расстоянии от компьютера, например в соседнем здании или другом городе, или связь пользователя с компьютером происходит через обычную телефонную сеть, необходимы приемопередатчики на оконечных пунктах линии и их функции выполняет модем.

Выпускаемые в настоящее время модемы различны по конструкции, но, как правило, состоят из интерфейсной части для соединения с компьютером, кодера и декодера модулятора и демодулятора. Часто в состав модема входят шифрующее и дешифрующее устройства, обеспечивающие секретность передаваемой информации. Имеются также способы, обеспечивающие скрытность передачи. В зависимости от типа модема он производит амплитудную, частотную или фазовую модуляцию. С целью уплотнения полосы канала чаще всего используют многократную фазовую манипуляцию. Типовые скорости передачи у модемов 300, 1200, 2400, 4800, 9600, до 56000 бит/с.

Кроме модема, передатчиком и приемником может служить как сам компьютер (точнее мультикарта), так и сетевая карта. Но у этих двух средств есть ограничения по расстоянию, на котором должны находиться компьютеры. Для сетевых карт - в пределах здания, а для мультикарт, а точнее, соединения двух компьютеров по последовательным или паралельным портам ввода-вывода, в пределах комнаты. Однако у сетевых карт есть приемущество над модемом и мультикартой - возможность одновременного подсоединения огромного числа пользователей (обычно это число ограниченно программным обеспечением до 100 пользователей одновременно), тогда как у модема и мультикарты количество пользователей ограниченно двумя.

Скорость передачи информации, а ее предельно допустимое значение для данного канала называют емкостью канала, относится к фундаментальным понятиям теории связи. Она служит одной из главных характеристик канала передачи информации. Оценка скорости передачи информации и предельных возможностей канала связи представляет большой практический и теоретический интерес, а выявление принципиальных ограничений в передаче информации является интересной физической и математической задачей.

Рассматривая процесс передачи информации в общих чертах, можно предположить, что основными факторами, ограничивающими скорость передачи информации, являются полоса пропускания F и уровень помех. Чтобы понять некоторые принципиальные стороны этой проблемы, совершим небольшой экскурс в область теории.

Существует фундаментальная теорема о выборках (теорема отсчетов, теорема Котельникова)

Сигнал, не содержащий в своем спектре частот выше F, может представляться 2F независимыми значениями в секунду, а совокупность значений, отстоящих друг от друга на секунд определяет непрерывный сигнал полностью.

"выборкой" является отсчет амплитуды сигнала в определенный момент (на рис. 7.а можно увидеть эти выборки). (Термин "выборки" взят от английского samples, теорему о выборках называют также теоремой

отсчетов.)

Эта теорема позволяет на интервале Т заменить непрерывный сигнал с ограниченным спектром последовательностью его дискретных значений, причем их нужно не бесконечное число, а вполне определенное, равное 2FT. Уровень шумов (помех) не позволяет точно определить амплитуду сигнала и в этом смысле вносит некоторую неопределенность в значение отсчетов сигнала.

Максимально возможная скорость передачи информации по каналу связи при фиксированных ограничениях называется емкостью канала,