Общие понятия об информации, сообщении и сигналах

Лекция 4. Общие понятия об информации, сообщении и сигналах

 Человек и информация
Сообщения

Сигналы

 Характеристики сигналов

 Обобщенная структурная  схема системы телекоммуникаций

Человек и информация

                 Деятельность людей направлена на создание материальных и духовных ценностей, совершенствование общественных отношений. Сферы деятельности определяются практическими жизненными потребностями членов общества. Процесс создания материальных ценностей принято называть производством. Без производства невозможно само существование людей. Любому производству наряду с орудиями труда, сырьем, рабочей силой необходима информация, накопленная людьми многих поколений. Эта информация хранится в памяти людей, книгах, документах и т. д.       Сведения о каких-либо процессах, событиях, фактах или предметах и принято называть информацией.                                                                                                                                                                                    Слово «информация » латинского происхождения и в переводе на русский язык означает «разъяснение», «изложение», «осведомление». Информация имеет ценность для производства только в том случае, если она доступна людям, невзирая на ее удаленность от места производства и давность получения. Отсюда возникает необходимость запоминания, хранения и передачи информации на расстояние.
        Получение информации человеком происходит на 80 - 90%  через органы зрения и  на 10 - 20%  через органы слуха. Другие органы чувств (осязание, обоняние, вкус) дают человеку в сумме до 1- 2% информации. Таким образом, зрительные и слуховые органы человека в совокупности с его нервной системой являются основными каналами поступления информации в мозг.
            Выдача информации из мозга осуществляется также по каналам, образуемым нервной системой и исполнительными органами.  Основным является звуковой канал, заканчивающийся голосовыми связками. Определенные колебания голосовых связок передаются в окружающую среду в виде отдельных звуков, слов, предложений и воспринимаются слуховыми органами людей.                                                                                        

 Важным для выдачи информации является также канал, исполнительным органом которого являются руки человека. Во-первых, руками с помощью различных приспособлений  человек пишет, рисует, т. е. выдает информацию, фиксируя ее на носителях.  Во-вторых, руками с помощью различных инструментов и приспособлений человек выдает звуковую информацию (музыка, различные шумы). Наконец,  в-третьих, определенные движения рук, иногда с использованием флажков, фонарей и других предметов, также являются способом выдачи информации.

Рекомендуемые материалы

Информационный обмен для людей не прихоть, а такая же естественная потребность, как пища, воздух, сон и т. д. Обмен информацией означает ее передачу и прием. Когда говорят о передаче информации, то подразумевают, что есть источник информации, получатель (потребитель) информации и средства ее передачи. Средства передачи, обусловленные физиологическими возможностями человека (например, возможностями голосовых связок или зрительных органов), не могут решить проблему передачи больших объемов информации на значительные расстояния. Для ее решения человек создал и широко пользуется техническими средствами- средствами телекоммуникаций.

Таким образом, телекоммуникации - это техническая база, обеспечивающая передачу и прием информации между удаленными друг от друга людьми или какими-либо устройствами. Аналогия между телекоммуникациями и информацией такая же, как у транспорта и перевозимого груза. Транспорт нужен для перевозки груза, телекоммуникации же нужны для передачи информации на расстояние

Сообщения

Понятию «информация» близко по смыслу понятие «сообщение». Сообщение - это форма выражения (представления) информации, удобная для передачи на расстояние.

Способность видеть позволяет человеку воспринимать информацию в форме неподвижных или подвижных изображений, называемых оптическими сообщениями. Примеры оптических сообщений в виде различных изображений приведены на рис. 4.1.

На рис. 4.1. А)    приведено сообщение - буквенный текст, представляющее собой определенную последовательность из набора букв (алфавита) и различных знаков препинания.

На рис. 4.1. Б) изображены данные, состоящие из последовательности цифр.

На рис. 4.1 В)  приведено неподвижное изображение - фотография.

Все приведенные сообщения наносятся и хранятся на определенных носителях, чаще всего на бумаге. Поэтому они называются документальными сообщениями.

Запечатленный на рис. 4.1, Г) кадр телевизионного изображения есть фрагмент сообщения, содержащий информацию о подвижном объекте.

 

Способность слышать позволяет воспринимать информацию, представляющую собой механические колебания частиц воз­душной среды, называемые звуковыми сообщениями. Человек воспринимает (слышит) колебания, частота которых нахо­дится в пределах 16 - 16 000 Гц (1 Гц равен одному колебанию в секунду).

Примерами звуковых сообщений являются речь и музыка. При разговоре информация заключена не только в содержании речи, но и в ее интонации, ритме и т. п. Музыка также содержит в себе информацию. Она способна изменять эмоциональное состояние человека (сравните влияние траурной мелодии и праздничного марша).

         

                                           А)                                                                                              Б)

                                          

           

                                           В)                                                                                                Г)                                                                        

                     

                                                                          

                                  

Рис.4.1 Примеры оптических сообщений:

А) буквенный текст; Б) цифровые данные; В) фотография; Г) подвижное изображение.

Сообщения в форме изображений или звуков естественны и удобны для общения между людьми, но современное производство немыслимо без связи человека с электронно-вычислительными машинами (ЭВМ). Со временем человек обязательно «научит» ЭВМ распознавать звуковые образы (звуки), а пока ЭВМ воспринимают информацию в форме знаков. Знаки это буквы, цифры и другие символы, из которых составляются сообщения путем их нанесения на специальные носители информации: магнитные ленты, компакт - диски и др. Сообщения, предназначенные для обработки на ЭВМ или полученные от ЭВМ, принято называть данными.    

Любое сообщение имеет параметр, в изменении которого «заложена» информация, содержащаяся в сообщении. Этот параметр называется информационным. Все звуковые сообщения представляют собой сочетание звуковых колебаний, создающих в воздухе переменное звуковое давление. Звуковое давление основная количественная характеристика звука. Мгновенное значение звукового давления и есть информационный параметр звукового сообщения. Информационные параметры оптических сообщений характеризуют оптические свойства участков изображения. Для неподвижных изображений таким параметром является коэффициент отражения света. Участки с большим коэффициентом отражения, т. е. отражающие большую часть падающего светового потока, кажутся более светлыми, а с меньшим - темными. Информационным параметром подвижных черно-белых изображений, наблюдаемых на экранах телевизоров, служит яркость свечения участков экрана. В текстовых и цифровых сообщениях носителем информации, а, следовательно, и информационным параметром являются знаки, из которых они составляются.

По характеру изменения информационных параметров различают непрерывные и дискретные сообщения. Если информационный параметр сообщения в процессе изменения может принимать любые значения в некотором интервале, то сообщение называется непрерывным. Непрерывными являются звуковые сообщения. Действительно, звуковое давление может принимать в определенном интервале любые значения, т. е. иметь бесконечное множество значений.

Коэффициент отражения и яркость участков изображений также могут принимать любые значения в некотором интервале, т. е. иметь бесконечное число значений. Следовательно, изображения также относятся к непрерывным сообщениям.

Любые текстовые и цифровые сообщения составляются из определенного, конечного и известного набора знаков (например, букв алфавита). Подобные сообщения принято называть дискретными.

 Сообщения принято делить, в соответствие со стандартными терминалами, на три вида: речь (аудиосообщение),

изображения (видеосообщения) и данные (знаки в виде букв, цифр и символов).

 В системах электросвязи сообщения не могут непосредственно передаваться получателю, они дополнительно преобразовываются в сигнал.

Сигналы

    Задачей связи является передача сообщений на расстояние от источника к получателю. Когда сообщение записано на каком-либо носителе, например бумаге, его можно доставить получателю с помощью того или иного вида транспорта. Так поступают при передаче письменных сообщений в почтовой связи. Однако такой способ передачи не всегда удобен, в частности не удовлетворяет потребителей по скорости передачи сообщений. Поэтому найдены и широко используются более скоростные переносчики сообщений, использующие физические процессы, способные преодолевать с определенной скоростью расстояния (пространство) между источником и получателем.

Сигнал* (лат. signum – знак) – процесс изменения во времени физического состояния объекта, служащий для отображения, регистрации и передачи сообщений. Сигнал – это материальный носитель (переносчик) сообщений. В современной технике применяются электрические, световые, звуковые, механические, электромагнитные сигналы. В телекоммуникациях сигналами являются свет, электромагнитные волны, электрические напряжение или ток.  Отображение сообщения обеспечивается изменением какой-либо физической величины, характеризующей процесс. Эта величина является информационным параметром сигнала. В телекоммуникациях информационным параметром чаще всего выступает величина электрического напряжения или  тока.

Передача и прием сообщений любого рода с помощью электрических сигналов является признаком электрической связи, сокращенно называемой электросвязью (телекоммуникациями). Выбор электрических сигналов (напряжения или тока) для переноса сообщений на расстояние обусловлен тем, что скорость их распространения  по проводам соизмерима с предельно возможной скоростью распространения процессов, равной скорости света, равной 300 000 км/с.

Электрические сигналы, как и сообщения, могут быть непрерывными и цифровыми. Отличие непрерывного сигнала от цифрового заключается в том, что 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.

Цифровой сигнал характеризуется конечным числом значений информационного параметра. Часто этот параметр принимает всего два значения, в этом случае он называется бинарным (двоичным).

Рис.4.2. Аналоговый, цифровой и бинарный сигналы.

Н а рисунке  4.2 слева представлены аналоговый, цифровой и двоичный (бинарный) сигналы. Их интерпретация в виде показаний стрелочных и электронных часов показана на рисунке в правом верхнем углу. В правом нижнем углу показаны некоторые разрешенные уровни для аналогового и цифрового сигналов, а также кодирование разрешенных уровней в двоичном коде.

В настоящее время существуют хорошо отработанные технологии преобразования сигналов из аналоговой формы в цифровую и обратно, из цифровой в аналоговую.

Характеристики сигналов

Характеристики гармонического сигнала. Сигналы, которые мы используем в телекоммуникационных сетях, будь то аналоговые или цифровые, существуют  в форме электрического напряжения и тока. Величина такого напряжения или тока изменяется с течением времени, и это изменение содержит информацию. Наиболее простым является сигнал, изменяющийся по закону косинуса и называемый косинусоидальным или гармоническим.

Мы можем рассматривать любой телекоммуникационный сигнал как комбинацию косинусоидальных колебаний с различными амплитудами и частотами. Частота определяется  числом циклов или полных колебаний в секунду. Например, мы слышим колебания давления воздуха как звук. Мы в состоянии услышать частоты в диапазоне приблизительно от 20 Гц до  15 кГц, где 1 Гц (герц) представляет 1 цикл в секунду. Мы ощущаем эти колебания как звуки низких и высоких тонов.

Пример переменного напряжения гораздо важнее. Переменное напряжение периодически изменяет свои направление и величину, несколько десятков раз в секунду. Полное колебание напряжения известно как цикл, а частота колебаний напряжения определяется как число циклов в секунду. Если напряжение имеет 1 000 полных колебаний в секунду, то частота - 1 000 Гц или 1 кГц.

Рис. 4.3 показывает в виде стрелки рамку из провода, вращающуюся в постоянном магнитном поле. Магнитный поток,  пронизывающий рамку, пропорционален синусу угла между плоскостью рамки и направлением магнитного поля.  Поскольку магнитный поток меняется, то между концами рамки индуцируется напряжение, величина которого изменяется по закону косинуса во времени:

Здесь:  

-(2 ft – φ) - фаза колебания  в радианах.

- f – частота, равная числу полных колебаний (циклов) в секунду, измеряется   

   в Гц. Она характеризует скорость протекания процесса.

- = 2 f – угловая частота, которая измеряется в радианах в секунду;

- t – время, измеряемое в секундах,

- φ – начальная фаза колебания в момент t = 0, она характеризует время задержки волны при прохождении через сеть. В самом деле, пусть на входе сети начальная фаза колебания равна нулю, а на выходе – φ. Выходное колебание тогда можно представить в виде:

где     играет роль времени задержки.

 Период Т представляет время одного цикла, т.е. время полного колебания:

T=1/f                  и                      f=1/T

Максимальная   величина  колебания  называется амплитудой. Квадрат этой величины служит энергетической характеристикой колебания.

Колебание, распространяющееся в пространстве, называется волной. Длина волны  представляет собой расстояние, на которое распространяется волна за 1 цикл или за 1 период:

= c/f = cT,

где c скорость распространения волны. Скорость распространения звуковой волны в воздухе равна примерно 346 м/с;  для световых или радиоволн  c = 300 000 км/сек.

Рис .4.3  Косинусоидальное  колебание и его параметры

 Частотные диапазоны в телекоммуникациях. Информационный сигнал, как правило, является низкочастотным, но мы можем использовать для его транспортировки высокочастотный сигнал, называемый несущим колебанием. Для того нужно изменять  амплитуду, частоту или начальную фазу  несущего колебания по закону информационного сигнала. Такой процесс называется модуляцией. С помощью модуляции телекоммуникационные сигналы можно разместить в самых различных частотных диапазонах.

Рис.4.4 показывает частотные диапазоны, связанные с ними среды для распространения телекоммуникационных сигналов, способы их передачи и применения.

Скорость передачи определяется темпом, в котором цифровые сигналы передаются по сети. Обобщенно скорость передачи r измеряется в битах в секунду (бит/с).

Бит - минимальное сообщение, означающее выбор одного из двух значений: "0" и "1". 8 бит составляют 1 байт, с помощью которого можно закодировать  любое значение цифрового сигнала. На передачу через сеть сигнала со скоростью 2 бит/с обычно требуется 1 Гц полосы пропускания.

Спектр сигнала. Реальные сигналы электросвязи сложны, но любой из них можно представить совокупностью ряда гармонических составляющих (гармоник). Совокупность частот гармонических составляющих, соответствующих одному сигналу, принято называть спектром этого сигнала. Разность между максимальной и минимальной частотами спектра называется шириной спектра (Гц)  сигнала  . Чем сильнее форма сигнала отличается от синусоиды, тем больше составляющих содержит сигнал и тем шире его спектр. Спектр сигнала - одна из самых важных особенностей аналоговых сигналов и  это - также самый важный фактор,  ограничивающий их скорость передачи.

В технике телекоммуникаций спектр сигнала сокращают. Это связано с тем, что аппаратура имеет ограниченную полосу пропускания частот. Сокращение спектра осуществляют исходя из допустимых искажений сигнала. Например, при телефонной связи требуется, чтобы речь была разборчивой и абоненты могли узнавать друг друга по голосу. Для выполнения этих условий достаточно передать речевой сигнал в полосе частот от 300 до 3400 Гц. Ширина спектра телефонного сигнала зависит от скорости его передачи и обычно принимается равной F ≈ 1,5υ, где υ – скорость передачи (телеграфирования) в Бодах, т. е. в числе символов, передаваемых в секунду. Так, при телетайпной передаче υ = 50 Бод и F = 75 Гц.

Рис 4.4 Частотные диапазоны, используемые в телекоммуникациях

Единицы измерения параметров. В технике связи наряду с абсолютными единицами измерения параметров электрических сигналов (мощность, напряжение и ток) широко используются относительные единицы.

Уровнем передачи сигнала в некоторой точке канала или тракта называют логарифмическое преобразование отношения энергетического параметра S (мощности, напряжения или тока) к отсчетному значению этого же параметра. Правило преобразования определяется формулой:

  где m - масштабный коэффициент,  a - основание логарифма,  - эталонное значение параметра.

Уровни передачи измеряются в децибелах, если справедливы соотношения:                                                                                         

для уровней по мощности  в дБм (децибелы по мощности);

для уровней по напряжению, дБн (децибелы по напряжению).

Уровень передачи называется абсолютным, если P₀=1 мВт. Если теперь уровень задать на сопротивлении R₀, то при заданных значениях мощности и сопротивления легко получить соответствующие величины напряжения U₀  на сопротивлении:

При R₀= 600 Ом в практических расчетах принимают округленное значение U₀= 0,775 В.

          Усиление, ослабление и измерение мощности в децибелах. На длинном пути в телекоммуникационных сетях сигнал ослабляется и усиливается все снова и снова. Мощность сигнала жестко контролируют для того, чтобы она была достаточно высокой по отношению к шумам, и в то же время для того, чтобы она была достаточно низкой во избежание  перегрузки сети и связанных с нею искажений сигнала. Когда уровень сигнала уменьшается, то это выражают с помощью термина  «ослабление» по мощности. Когда сигнал восстанавливают, то это выражают с помощью термина «усиление» по мощности. Таким образом, ослаблению  в 10 раз соответствует усиление в 10 раз.

Александр Белл первым предложил использовать логарифмическую шкалу для измерения уровня мощности. Шкала оказалась удачной, и это нашло свое выражение в том, что усиление мощности стали выражать в децибелах (дБ). Коэффициент усиления в децибелах определяется по формуле:

Если  выходная мощность больше входной, то имеет место усиление и  положителен, в противном случае он становится  отрицательным. Если мощности выходного и входного сигналов одинаковы, то нет ни усиления, ни ослабления и  равен нулю.

На рис. 4.4  представлен элемент телекоммуникационной сети с определенным входом и выходом. Приведенные формулы определяют усиление и ослабление мощности сигнала при передаче. В телекоммуникационной сети мы обычно имеем много (часто более 100) элементов, расположенных цепочкой.

Рис. 4.4.  Расчеты усиления и ослабления для участков сети

Если нужно вычислить общее усиление или ослабление, то нужно перемножить соответствующие коэффициенты отдельных элементов, Если же коэффициент каждого элемента представлен в децибелах, то они складываются, как показано на рисунке. Децибелы позволяют складывать малые положительные или отрицательные величины вместо того, чтобы их перемножать. Например, усилению в два раза соответствует (усиление)  3 дБ, усилению в 10 раз - 10 дБ и т.д.

Уровни мощности . Уровни мощности в телекоммуникационных сетях меняются в широких пределах , от пиковатт до десятков ватт, что соответствует вариации от 1 до 1 000 000 000. Измерение мощности, основанное на децибелах, позволяет легко выразить этот широкий диапазон мощностей. Абсолютный уровень мощности часто выражают в дБм0, сравнивая измеренную мощность с 1 мВт. Уровень мощности в дБм дается формулой:

Если требуется определить мощность в милливаттах, то мы легко можем это сделать по известному значению p. Абсолютный уровень в дБм часто используется вместо выражения мощности в ваттах,  например при определении входной мощности по известным величинам входной мощности и коэффициента усиления:

                  

Примеры таких расчетов для радиолинии и участка волоконно-оптической связи приведены на рис. 4, 5

Рис. 4.5  Расчеты уровней выходной мощности для радиолинии и участка волоконно-оптической связи

 Обобщенная структурная  схема системы телекоммуникаций

Как отмечалось в предыдущем параграфе, в электросвязи переносчиком сообщений является электрический сигнал, способный распространяться в определенных средах. Из этого следует, что для передачи на расстояние сообщение, создаваемое источником, должно быть преобразовано в электрический сигнал, который будет преодолевать пространство. На месте приема полученный сигнал необходимо преобразовать в сообщение, подаваемое получателю. Для передачи сообщений необходимы соответствующие технические устройства, которые в совокупности со средой распространения  образуют систему электросвязи. Обобщенная структурная схема системы электросвязи представлена на   рис.4.6.

   

Рис. 4.6. Обобщенная структурная схема системы электросвязи (одноканальной, симплексной)

Первичные преобразователи (преобразователи сообщение – сигнал) осуществляют прямое преобразование сообщения a_п в первичный (электрический) сигнал u(t).

Линия связи – совокупность физических цепей, имеющих общую среду распространения и служащих для передачи электрических сигналов от передатчика к приемнику.  Для каждого типа линии связи  применяются сигналы, наиболее эффективно распространяющиеся по ней: по проводной линии – переменные токи до десятков килогерц, по радиолинии – электромагнитные колебания высоких частот (от сотен кГц до десятков и сотен МГц), по оптическим линиям – световые колебания (волны) с частотами …Гц. На выходе линии связи будет смесь принятого сигнала и помехи, т.е. z(t)=S(u,t) + n(t).

Для согласования первичных сигналов с линией связи применяется передатчик: именно в нем осуществляется преобразование первичных сигналов u(t) в сигналы, удобные для передачи по линии связи (по мощности, частоты, форме и т.д.). В большинстве случаев передатчик – это генератор переносчика (несущей волны) и модулятор. В электросвязи применяются модулированные сигналы. Процесс модуляции заключается в изменении параметров переносчика по закону первичного сигнала u(t). На выходе передатчика получают модулированный сигнал S(u,t).

В приемнике из принятого сигнала z(t) получают первичный сигнал u_пр(t), который несколько отличается от переданного u(t). Поэтому в приемнике для компенсации ослабления сигнала после  линии  связи производится усиление и обработка принятого сигнала с целью выделения полезного сигнала и подавления помех.

           Обратное преобразование принятого первичного сигнала u_пр(t) в сообщение a_пр осуществляется с помощью специальных устройств. В принципе, необходим такой вторичный преобразователь, который преобразует принятый первичный сигнал в исходное сообщение, воспринимаемое получателем.

          В системе связи (рис. 4.6) передача сообщений осуществляется в одном направлении (от источника к получателю). Такой режим связи (передачи) называется симплексным. Режим связи, в котором возможна одновременная передача сообщений  в прямом и обратном направлениях, называется дуплексным. Возможен и полудуплекный режим – передача сообщений осуществляется поочередно.

Источник и получатель информации являются абонентами системы связи. На рис.4.6 выделен канал электросвязи – совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающих  при подключении оконечных абонентских устройств передачу сообщений любого вида от источника к  получателю  (потребителю) с помощью сигналов электросвязи.  Различают  каналы: телефонные, телеграфные, передачи данных, звукового и телевизионного вещания,  радиосвязи, цифровые и аналоговые.

Контрольные вопросы:

1.Что называют информацией?
2. Приведите виды сообщений.

3.Приведите виды сигналов.

4. Какие характеристики косинусоидального сигнала вы знаете?    

5. Назовите диапазаны частот сигналов, соответствующие:

Рекомендуем посмотреть лекцию "Особенности становления капиталических отношений в Индии".

-скрученной паре,

-коаксиальному кабелю,

-свободному пространству,

-оптоволокну.

6.Что можно измерять в децибелах?

7. Перечислите элементы структурной схемы электросвязи.