Лекція 2. Загальні поняття про інформацію, повідомленні й сигналах

Людина і інформація

Повідомлення

Сигнали

Характеристики сигналів

Узагальнена структурна схема системи телекомунікацій

 

Людина і інформація

Діяльність людей спрямована на створення матеріальних і духовних цінностей, вдосконалення суспільних відносин. Сфери діяльності визначаються практичними життєвими потребами членів суспільства. Процес створення матеріальних цінностей прийнято називати виробництвом. Без виробництва неможливе саме існування людей. Будь-якому виробництву поряд із знаряддями праці, сировиною, робочою силою необхідна інформація, накопичена людьми багатьох поколінь. Ця інформація зберігається в пам'яті людей, книгах, документах і т. д. Відомості про будь процесах, подіях, фактах або предметах і прийнято називати інформацією.

Слово «інформація» латинського походження і в перекладі на російську мову означає «роз'яснення», «виклад», «освідомлення». Інформація має цінність для виробництва тільки в тому випадку, якщо вона доступна людям, незважаючи на її віддаленість від місця виробництва і давність отримання. Звідси виникає необхідність запам'ятовування, збереження і передачі інформації на відстань.

Отримання інформації людиною відбувається на 80 – 90% через органи зору і на 10 – 20% через органи слуху. Інші органи чуття (дотик, нюх, смак) дають людині в сумі до 1 – 2% інформації. Таким чином, зорові і слухові органи людини в сукупності з його нервовою системою є основними каналами надходження інформації в мозок.

Видача інформації з мозку здійснюється також по каналах, утвореним нервовою системою і виконавчими органами. Основним є звуковий канал, що закінчується голосовими зв'язками. Певні коливання голосових зв'язок передаються в навколишнє середовище у вигляді окремих звуків, слів, речень і сприймаються слуховими органами людей.

Важливим для видачі інформації є також канал, виконавчим органом якого є руки людини. По-перше, руками за допомогою різних пристосувань людина пише, малює, тобто видає інформацію, фіксуючи її на носіях. По-друге, руками за допомогою різних інструментів і пристосувань людина видає звукову інформацію (музика, різні шуми). Нарешті, по-третє, певні рухи рук, іноді з використанням прапорців, ліхтарів та інших предметів, також є способом видачі інформації.

Інформаційний обмін для людей не примха, а така ж природна потреба, як їжа, повітря, сон і т. д. Обмін інформацією означає її передачу і прийом. Коли говорять про передачу інформації, то мають на увазі, що є джерело інформації, одержувач (споживач) інформації і засоби її передачі. Засоби передачі, зумовлені фізіологічними можливостями людини (наприклад, можливостями голосових зв'язок або зорових органів), не можуть вирішити проблему передачі великих обсягів інформації на значні відстані. Для її вирішення чоловік створив та широко користується технічними засобами-засобами телекомунікацій.

Таким чином, телекомунікації – це технічна база, що забезпечує передачу і прийом інформації між віддаленими один від одного людьми або якимись пристроями. Аналогія між телекомунікаціями та інформацією така ж, як у транспорту та вантажу, що перевозиться. Транспорт потрібен для перевезення вантажу, телекомунікації ж потрібні для передачі інформації на відстань

Повідомлення

Поняттю «інформація» близьке за змістом поняття «повідомлення». Повідомлення – це форма вираження (подання) інформації, зручна для передачі на відстань.

Здатність бачити дозволяє людині сприймати інформацію у формі нерухомих або рухомих зображень, званих оптичними повідомленнями. Приклади оптичних повідомлень у вигляді різних зображень наведено на рис. 4.1.

На рис. 4.1. А) приведено повідомлення – буквений текст, що являє собою певну послідовність з набору букв (алфавіту) і різних знаків пунктуації.

На рис. 4.1. Б) зображені дані, які складаються з послідовності цифр.

На рис. 4.1 В) наведено нерухоме зображення – фотографія.

Всі наведені повідомлення наносяться і зберігаються на певних носіях, найчастіше на папері. Тому вони називаються документальними повідомленнями.

Зображений на рис. 4.1, Г) кадр телевізійного зображення є фрагмент повідомлення, що містить інформацію про рухомому об'єкті.

 

Здатність чути дозволяє сприймати інформацію, що представляє собою механічні коливання частинок воз задушливій середовища, звані звуковими повідомленнями. Людина сприймає (чує) коливання, частота яких нахо диться в межах 16 – 16 000 Гц (1 Гц дорівнює одному коливанню за секунду).

Прикладами звукових повідомлень є мова і музика. При розмові інформація укладена не тільки в змісті промови, а й у її інтонації, ритмі і т. п. Музика також містить у собі інформацію. Вона здатна змінювати емоційний стан людини (порівняйте вплив траурної мелодії і святкового маршу).

 

А)	Б)
В)	Г)

Ріс.4.1 Приклади оптичних повідомлень: А) буквений текст; Б) цифрові дані; В) фотографія; Г) рухоме зображення.

 

Повідомлення у формі зображень чи звуків природні і зручні для спілкування між людьми, але сучасне виробництво неможливе без зв'язку людини з електронно-обчислювальними машинами (ЕОМ). З часом людина обов'язково «навчить» ЕОМ розпізнавати звукові образи (звуки), а поки ЕОМ сприймають інформацію у формі знаків. Знаки це літери, цифри та інші символи, з яких складаються повідомлення шляхом їх нанесення на спеціальні носії інформації: магнітні стрічки, компакт – диски та ін Повідомлення, призначені для обробки на ЕОМ або отримані від ЕОМ, прийнято називати даними.

 

Будь-яке повідомлення має параметр, у зміні якого «закладена» інформація, що міститься в повідомленні. Цей параметр називається інформаційним. Всі звукові повідомлення являють собою поєднання звукових коливань, що створюють в повітрі змінне звуковий тиск. Звуковий тиск основна кількісна характеристика звуку. Миттєве значення звукового тиску і є інформаційний параметр звукового повідомлення. Інформаційні параметри оптичних повідомлень характеризують оптичні властивості ділянок зображення. Для нерухомих зображень таким параметром є коефіцієнт відбиття світла. Ділянки з великим коефіцієнтом відбиття, тобто відображають велику частину падаючого світлового потоку, здаються більш світлими, а з меншим – темними. Інформаційним параметром рухомих чорно-білих зображень, спостережуваних на екранах телевізорів, служить яскравість світіння ділянок екрана. У текстових і цифрових повідомленнях носієм інформації, а, отже, і інформаційним параметром є знаки, з яких вони складаються.

За характером зміни інформаційних параметрів розрізняють безперервні і дискретні повідомлення. Якщо інформаційний параметр повідомлення в процесі зміни може приймати будь-які значення в деякому інтервалі, то повідомлення називається безперервним. Безперервними є звукові повідомлення. Дійсно, звуковий тиск може приймати в певному інтервалі будь-які значення, тобто мати нескінченну безліч значень.

Коефіцієнт відбиття і яскравість ділянок зображень також можуть приймати будь-які значення в деякому інтервалі, тобто мати нескінченне число значень. Отже, зображення також відносяться до безперервним повідомленнями.

Будь-які текстові і цифрові повідомлення складаються з певного, кінцевого і відомого набору знаків (наприклад, букв алфавіту). Подібні повідомлення прийнято називати дискретними.

Повідомлення прийнято ділити, у відповідність зі стандартними терміналами, на три види: мова (аудіоповідомлень),

зображення (відеоповідомлення) і дані (знаки у вигляді букв, цифр і символів).

У системах електрозв'язку повідомлення не можуть безпосередньо передаватися одержувачеві, вони додатково перетворюються в сигнал.

 

Сигнали

Завданням зв'язку є передача повідомлень на відстань від джерела до одержувача. Коли повідомлення записано на якомусь носії, наприклад папері, його можна доставити одержувачу за допомогою того чи іншого виду транспорту. Так чинять при передачі письмових повідомлень у поштовому зв'язку. Однак такий спосіб передачі не завжди зручний, зокрема не задовольняє споживачів по швидкості передачі повідомлень. Тому знайдені і широко використовуються більш швидкісні переносники повідомлень, що використовують фізичні процеси, здатні долати з певною швидкістю відстані (простір) між джерелом і одержувачем.

Сигнал * (лат. signum – знак) – процес зміни у часі фізичного стану об'єкта, службовець для відображення, реєстрації та передачі повідомлень. Сигнал – це матеріальний носій (переносник) повідомлень. У сучасній техніці застосовуються електричні, світлові, звукові, механічні, електромагнітні сигнали. У телекомунікаціях сигналами є світло, електромагнітні хвилі, електричні напруга або струм. Відображення повідомлення забезпечується зміною небудь фізичної величини, що характеризує процес. Ця величина є інформаційним параметром сигналу. У телекомунікаціях інформаційним параметром найчастіше виступає величина електричної напруги або струму.

Передача і прийом повідомлень будь-якого роду за допомогою електричних сигналів є ознакою електричного зв'язку, скорочено званої електрозв'язком (телекомунікаціями). Вибір електричних сигналів (напруги або струму) для перенесення повідомлень на відстань обумовлений тим, що швидкість їх поширення по проводах порівнянна з гранично можливою швидкістю поширення процесів, яка дорівнює швидкості світла, рівної 300 000 км / с.

Електричні сигнали, як і повідомлення, можуть бути безперервними і цифровими. Відмінність безперервного сигналу від цифрового полягає в тому, що інформаційний параметр безперервного сигналу (наприклад, напруга, струм, напруженість електричного або магнітного поля), з плином часу може приймати будь миттєві значення в певних межах. Безперервний сигнал часто називають аналоговим.

Цифровий сигнал характеризується кінцевим числом значень інформаційного параметра. Часто цей параметр приймає всього два значення, в цьому випадку він називається бінарним (двійковим).

 

Рис.4.2. Аналоговий, цифровий та бінарний сигнали.

 

Н а малюнку 4.2 зліва представлені аналоговий, цифровий та двійковий (бінарний) сигнали. Їх інтерпретація у вигляді показань стрілочних і електронних годинників показана на малюнку в правому верхньому куті. У правому нижньому куті показані деякі дозволені рівні для аналогового і цифрового сигналів, а також кодування дозволених рівнів у двійковому коді.

В даний час існують добре відпрацьовані технології перетворення сигналів з аналогової форми в цифрову і назад, з цифрової в аналогову.

 

Характеристики сигналів

Характеристики гармонійного сигналу. Сигнали, які ми використовуємо в телекомунікаційних мережах, будь то аналогові або цифрові, існують у формі електричної напруги та струму. Величина такої напруги або струму змінюється з часом, і це зміна містить інформацію. Найбільш простим є сигнал, що змінюється за законом косинуса і званий косінусоідальное або гармонійним.

Ми можемо розглядати будь телекомунікаційний сигнал як комбінацію косінусоідальное коливань з різними амплітудами і частотами. Частота визначається числом циклів або повних коливань в секунду. Наприклад, ми чуємо коливання тиску повітря як звук. Ми в змозі почути частоти в діапазоні приблизно від 20 Гц до 15 кГц, де 1 Гц (герц) представляє 1 цикл в секунду. Ми відчуваємо ці коливання як звуки низьких і високих тонів.

Приклад змінної напруги набагато важливіше. Змінна напруга періодично змінює свої напрямок і величину, кілька десятків разів в секунду. Повне коливання напруги відомо як цикл, а частота коливань напруги визначається як число циклів у секунду. Якщо напруга має 1 000 повних коливань в секунду, то частота – 1 000 Гц або 1 кГц.

Рис. 4.3 показує у вигляді стрілки рамку із дроту, що обертається в постійному магнітному полі. Магнітний потік, що пронизує рамку, пропорційний синус кута між площиною рамки і напрямком магнітного поля. Оскільки магнітний потік змінюється, то між кінцями рамки індукується напруга, величина якого змінюється за законом косинуса у часі:

Тут:

- – фаза коливання в радіанах.

- – частота, рівна числу повних коливань (циклів) у секунду, вимірюється в Гц. Вона характеризує швидкість протікання процесу.

- – кутова частота, яка вимірюється в радіанах в секунду;

- – час, вимірюваний в секундах,

- – початкова фаза коливання в момент t = 0, вона характеризує час затримки хвилі при проходженні через мережу. У самому справі, нехай на вході мережі початкова фаза коливання дорівнює нулю, а на виході – φ. Вихідна коливання тоді можна представити у вигляді:

де грає роль часу затримки.

Період Т являє час одного циклу, тобто час повного коливання:

T =1/ f і f =1/ T.

Максимальна величина коливання називається амплітудою. Квадрат цієї величини служить енергетичної характеристикою коливання.

Коливання, що розповсюджується в просторі, називається хвилею. Довжина хвилі є відстань, на яку поширюється хвиля за 1 цикл або за 1 період:

= c / f=cT,

де c швидкість поширення хвилі. Швидкість поширення звукової хвилі в повітрі дорівнює приблизно 346 м / с; для світлових або радіохвиль c = 300 000 км / сек.

 

Рис.4.3 косінусоідальное коливання і його параметри

 

Частотні діапазони в телекомунікаціях. Інформаційний сигнал, як правило, є низькочастотним, але ми можемо використовувати для його транспортування високочастотний сигнал, званий несучим коливанням. Для того потрібно змінювати амплітуду, частоту або початкову фазу несучого коливання за законом інформаційного сигналу. Такий процес називається модуляцією. За допомогою модуляції телекомунікаційні сигнали можна розмістити в самих різних частотних діапазонах.

Рис.4.4 показує частотні діапазони, пов'язані з ними середовища для розповсюдження телекомунікаційних сигналів, способи їх передачі і застосування.

Швидкість передачі визначається темпом, в якому цифрові сигнали передаються по мережі. Узагальнено швидкість передачі r вимірюється в бітах в секунду (біт / с).

Біт – мінімальне повідомлення, що означає вибір одного з двох значень: "0" і "1". 8 біт становлять 1 байт, за допомогою якого можна закодувати будь-яке значення цифрового сигналу. На передачу через мережу сигналу зі швидкістю 2 біт / с звичайно потрібно 1 Гц смуги пропускання.

 

Спектр сигналу. Реальні сигнали електрозв'язку складні, але будь-який з них можна представити сукупністю ряду гармонійних складових (гармонік). Сукупність частот гармонійних складових, відповідних одному сигналі, прийнято називати спектром цього сигналу. Різниця між максимальною і мінімальною частотами спектру називається шириною спектру (Гц) сигналу . Чим сильніше форма сигналу відрізняється від синусоїди, тим більше складових містить сигнал і тим ширше його спектр. Спектр сигналу – одна з найважливіших особливостей аналогових сигналів і це – також найважливіший фактор, що обмежує їх швидкість передачі.

У техніці телекомунікацій спектр сигналу скорочують. Це пов'язано з тим, що апаратура має обмежену смугу пропускання частот. Скорочення спектру здійснюють виходячи з допустимих спотворень сигналу. Наприклад, при телефонного зв'язку потрібно, щоб мова була розбірливою і абоненти могли пізнавати один одного по голосу. Для виконання цих умов достатньо передати мовний сигнал в смузі частот від 300 до 3400 Гц. Ширина спектра телефонного сигналу залежить від швидкості його передачі і зазвичай приймається рівною F ≈1,5 υ, де υ – швидкість передачі (телеграфування) в бодах, тобто в числі символів, переданих в секунду. Так, при телетайпной передачі υ =50 Бод і F =75 Гц.

 

Рис 4.4 Частотні діапазони, які використовуються в телекомунікаціях

 

Одиниці виміру параметрів. У техніці зв'язку поряд з абсолютними одиницями вимірювання параметрів електричних сигналів (потужність, напруга і струм) широко використовуються відносні одиниці.

Рівнем передачі сигналу в деякій точці каналу або тракту називають логарифмічне перетворення відносини енергетичного параметра S (потужності, напруги або струму) до отсчетному значенням цього ж параметра. Правило перетворення визначається формулою:

де m – масштабний коефіцієнт, a – підстава логарифма, – еталонне значення параметра.

Рівні передачі вимірюються в децибелах, якщо справедливі співвідношення:

для рівнів по потужності в дБм (децибели по потужності);

для рівнів по напрузі, ДБН (децибели по напрузі).

Рівень передачі називається абсолютним, якщо P₀=1 мВт. Якщо тепер рівень задати на опорі R0, то при заданих значеннях потужності та опору легко отримати відповідні величини напруги U0 на опорі:

При R₀=600 Ом в практичних розрахунках приймають округлене значення U₀=0,775 В.

Посилення, ослаблення та вимірювання потужності в децибелах. На довгому шляху в телекомунікаційних мережах сигнал послаблюється і посилюється все знову і знову. Потужність сигналу жорстко контролюють для того, щоб вона була достатньо високою по відношенню до шумів, і в той же час для того, щоб вона була достатньо низькою, щоб уникнути перевантаження мережі і пов'язаних з нею спотворень сигналу. Коли рівень сигналу зменшується, то це виражають за допомогою терміна «ослаблення» по потужності. Коли сигнал відновлюють, то це виражають за допомогою терміна «посилення» по потужності. Таким чином, послаблення в 10 разів відповідає посилення в 10 разів.

Олександр Белл першим запропонував використовувати логарифмічну шкалу для вимірювання рівня потужності. Шкала виявилася вдалою, і це знайшло своє вираження в тому, що посилення потужності стали виражати в децибелах (дБ). Коефіцієнт посилення в децибелах визначається за формулою:

Якщо вихідна потужність більше вхідної, то має місце посилення і позитивний, в іншому випадку він стає негативним. Якщо потужності вихідного і вхідного сигналів однакові, то немає ні посилення, ні ослаблення і дорівнює нулю.

На рис. 4.4 представлений елемент телекомунікаційної мережі з певним входом і виходом. Наведені формули визначають посилення та ослаблення потужності сигналу при передачі. В телекомунікаційної мережі ми зазвичай маємо багато (часто більше 100) елементів, розташованих ланцюжком.

 

Рис. 4.4. Розрахунки посилення й ослаблення для ділянок мережі

 

Якщо потрібно обчислити загальне посилення або ослаблення, то потрібно перемножити відповідні коефіцієнти окремих елементів, Якщо ж коефіцієнт кожного елемента представлений в децибелах, то вони складаються, як показано на малюнку. Децибели дозволяють складати малі позитивні або негативні величини замість того, щоб їх перемножувати. Наприклад, посиленню в два рази відповідає (посилення) 3 дБ, посилення в 10 разів – 10 дБ і т.д.

Рівні потужності. Рівні потужності в телекомунікаційних мережах змінюються в широких межах, від піковатт до десятків ват, що відповідає варіації від 1 до 1 000 000 000. Вимірювання потужності, засноване на децибелах, дозволяє легко виразити цей широкий діапазон потужностей. Абсолютний рівень потужності часто виражають у дБм0, порівнюючи виміряну потужність з 1 мВт. Рівень потужності в дБм дається формулою:

Якщо потрібно визначити потужність в мілліватт, то ми легко можемо це зробити за відомим значенням p. Абсолютний рівень в дБм часто використовується замість виразу потужності у ватах, наприклад при визначенні вхідної потужності по відомим величинам вхідної потужності і коефіцієнта підсилення:

Приклади таких розрахунків для радіолінії і ділянки волоконно-оптичного зв'язку наведено на рис. 4, 5

 

Рис. 4.5 Розрахунки рівнів вихідної потужності для радіолінії і ділянки волоконно-оптичного зв'язку