Какие каналы передачи информации существуют. Пропускная способность дискретного канала связи. Шум, защита от шума

Каналом связи называют совокупность технических средств и физической среды, способной к передаче посылаемых сигналов, которые обеспечивают передачу сообщений от источника информации к получателю.

Каналы принято делить на непрерывные и дискретные.

В наиболее общем случае всякий дискретный канал включает в себя непрерывный как составную часть.

Если влиянием мешающих факторов на передачу сообщений в канале можно пренебречь, то такой идеализированный канал называется каналом без помех.

В таком канале каждому сообщению на входе однозначно соответствует определенное сообщение на выходе и наоборот. Если влиянием помех в канале пренебречь нельзя, то при анализе особенностей передачи сообщений по такому каналу используют модели, характеризующие работу канала при наличии помех.

В зависимости от конкретных свойств реальных каналов используют различные типы моделей. Канал, в котором вероятности отождествления первого сигнала со вторым и второго с первым одинаковы, называется симметричным каналом.

Канал, на выходе которого алфавит сигнала отключается от алфавита сигнала на входе, называется каналом со стиранием.

Канал со стиранием и трансляцией Канал со стиранием

Канал передачи сообщений к получателю дополнительным обратным каналом, служащим для повышения достоверности передачи, называется каналом с обратной связью.

Канал связи считается заданным, если известны данные о сообщениях на его входе, а также ограничения, которые накладываются на входные сообщения физическими характеристиками каналов.

Для характеристики каналов связи используют два понятия скорости передачи:

а) Техническая скорость передачи, характеризуется числом элементарных сигналов, передаваемых по каналу в единицу времени. Она зависит от свойств линий связи, а быстродействие от аппаратуры каналов. .

б) Информационная скорость, которая определяется средним количеством информации, передающаяся в единицу времени. Эта скорость зависит как от характеристик данного канала, так и от характеристик используемых сигналов.

Пропускной способностью канала называется максимальная скорость передачи информации по этому каналу, достигаемая при самых совершенных способах передачи и приемов. Пропускная способность, как и скорость передачи информации, вообще измеряется количеством передаваемой информации в единицу времени.

15. Согласование физических характеристик канала связи и сигналов

Каждый конкретный канал связи обладает физическими параметрами, определяющими возможности передачи по этому каналу тех или иных сигналов, независимо от назначения, любой канал можно охарактеризовать тремя основными параметрами:

1) - время доступа каналов, [c];

2)
- полоса пропускания канала связи, [Гц];

3)
- допустимое превышение сигнала над помехами (шумами).

- объем канала связи.

Чтобы оценить возможность передачи данного сигнала по конкретному каналу нужно соотнести характеристики канала с соответствующими характеристиками сигнала:

1) - длительность сигнала;

2) - полоса частот (ширина спектра) сигнала;

3)
- уровень превышения сигнала над помехами.

- объем сигнала.

Каналы передачи, их классификация и основные характеристики

Основные понятия и определения: канал передачи, его динамический диапазон, эффективно передаваемая полоса частот, время, в течении которого канал предоставлен для передачи первичного сигнала, пропускная способность канала. Основные параметры и характеристики канала. Принципы нормирования отклонения остаточного затухания, частотная характеристика, понятие «шаблона» . Фазо-частотная характеристика. Амплитудная характеристика и различные ее формы. Типовые каналы и их основные характеристики.

Ключевыми понятиями техники телекоммуникационных систем и сетей являются канал передачи и канал электросвязи.

Каналом передачи называется совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающая передачу сигналов электросвязи в определенной полосе частот или с определенной скоростью передачи между оконечными или промежуточными пунктами телекоммуникационных сетей.

По методам передачи сигналов электросвязи различают аналоговые ицифровые каналы.

1) Аналоговые каналы, в свою очередь, подразделяются на непрерывные идискретные в зависимости от изменения информационного параметра сигнала.

2)Цифровые каналы делятся на каналы с использование импульсно-кодовой модуляции (ИКМ ) , каналы с использованиемдифференциальной ИКМ и каналы на основедельта-модуляции . Каналы, в которых на одних участка используются аналоговые, а на других цифровые методы передачи сигналов, называютсясмешанными каналами передачи.

В зависимости от ширины полосы пропускания, в которой передаются сигналы электросвязи, и соответствия параметров каналов установленным нормам, различают аналоговые типовые каналы тональной частоты, типовые первичный, вторичный, третичный и четверичный широкополосные каналы. Типовые каналы передачи сигналов звукового вещания, сигналов изображения и звукового сопровождения телевидения ;

В зависимости от скорости передачи и соответствия параметров каналов установленным нормам различают: основной цифровой канал, первичный, вторичный, третичный, четверичный и пятеричный цифровые каналы ;

По виду среды распространения сигналов электросвязи различают: проводные каналы , организованные по кабельным и, реже, воздушным линиям связи иканалы радиосвязи , организованные по радиорелейным и спутниковым линиям связи.

Каналом электросвязи называется комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий передачу первичных сигналов электросвязи от преобразователя сообщения в первичный сигнал до преобразователя первичного сигнала в сообщение.

Помимо приведенной классификации, каналы электросвязи подразделяются

По виду передаваемых первичных сигналов (или сообщений) различают телефонные каналы, каналы звукового вещания, телевизионные каналы, теле-

графные каналы иканалы передачи данных ;

По способам организации двусторонней связи различают двухпроводный однополосный канал, двухпроводный двухполосный канал ичетырехпроводный однополосный канал;

По территориальному признаку каналы электросвязи подразделяются на международные, междугородные, магистральные, зоновые и местные .

Рассмотренная классификация каналов передачи и электросвязи (далее просто каналы) соответствует сложившейся практике их организации и разработке требований к их основным параметрам и характеристикам, которые принято увязывать с соответствующими параметрами и характеристиками первичных сигналов.

Канал может характеризоваться тремя параметрами:

1) эффективно передаваемой полосой частот D F к , которую канал способен пропустить с выполнением требований к качеству передачи сигналов;

2) временем Т к , в течение которого канал предоставлен для передачи сигналов или сообщений;

3) динамическим диапазоном D к , под которым понимается отношение вида

где P кмакс – максимальная неискаженная мощность, которая может быть передана по каналу; P кмин – минимальная мощность сигнала, при которой обеспечивается необходимая защищенность от помех.

Очевидно, что передача сигнала с параметрами D F c ,Т с , иD c по каналу с параметрами D F к ,Т к иD к возможна при условии

Произведение трех параметров канала V к = D к × F к × T к называется егоемкостью . Сигнал может быть передан по каналу, если его емкость не менее объема сигнала (см. лекция 2). Если система неравенств (3.2) не выполняется, то возможнадеформация одного из параметров сигнала, позволяющих согласовать его объем с емкостью канала. Следовательно, условие возможности передачи сигнала по каналу можно представить в более общем виде

V к ³ V с . (3.3)

Канал характеризуется защищенностью

, (3.4)

где P п – мощность помех в канале.

Пропускная способность канала описывается следующим выражением

, (3.5)

где P ср – средняя мощность передаваемого по каналу сигнала.

Канал передачи как четырехполюсник

Канал передачи, как совокупность технических средств и среды распространения электрического сигнала, представляет каскадное соединение различных четырехполюсников , осуществляющих фильтрацию, преобразование сигналов, их усиление и коррекцию. Следовательно, канал можно представитьэквивалентным четырехполюсником, параметры и характеристики которого определяют качество передачи сигналов, рис. 3.1.

Рис. 3.1. Канал передачи как четырехполюсник

На рис.3.1 приняты следующие обозначения: 1-1 и 2-2 -входные и выходные зажимы соответственно;I вх (j w ) иI вых (j w ) – комплексные входной и выходной токи;U вх (j w ) иU вых (j w ) – комплексные входное и выходное напряжения;Z вх (j w ) иZ вых (j w ) – комплексные входное и выходное сопротивления (как правило, величины чисто активные и равные, т.е.Z вх = R вх = Z вых = R вых );K (j w ) =U вых (j w ) /U вх (j w ) =К (w )×е jb (w ) – комплексный коэффициент передачи по напряжению,К (w ) – модуль коэффициента передачи иb (w ) – фазовый сдвиг между входным и выходными сигналами; если берется отношение выходного тока к входному, то говорят о коэффициенте передачи по току;u вх (t ), u вых (t ) – мгновенные значения напряжения входного и выходного сигналов ир вх и р вых – входной и выходной уровни напряжения или мощности сигналов.

Каналы передачи работают между реальными нагрузками Z н1 (j w ) и Z н2 (j w ), подключаемыми соответственно к зажимам 1-1 и 2-2.

Свойства каналов и их соответствия требованиям к качеству передачи сообщений определяется рядом параметров и характеристик.

Первым и одним из основных параметров каналов является остаточное затухание А r , под которым понимаетсярабочее затухание канала, измеренное или рассчитанное в условиях подключения к зажимам 1-1и 2-2 (рис. 3.1)активных сопротивлений, соответствующих номинальным значениям R вх и R вых соответственно. Входные и выходные сопротивления отдельных устройств канала передачи достаточно хорошо согласуются между собой. При этом условии рабочее затухание канала можно считать равным суммехарактеристических (собственных)затуханий отдельных устройств, не учитывая отражений. Тогда остаточное затухание канала может быть определено по формуле;

, (3.1)

где р вх и р вых – уровни на входе и выходе канала (см. рис. 3.1);A r – затуханиеi - го иS j - усилениеj - го четырехполюсников, составляющих канал передачи.

Это означает, что остаточное затухание (ОЗ) канала представляет собой алгебраическую сумму затуханий и усилений и удобна при расчетахА r , когда известны затухания усилительных участков и усиления усилителей. ОЗ измеряется на определенной для каждогоканала измерительной частоте .

В процессе эксплуатации ОЗ канала не остается величиной постоянной, а отклоняется от номинального значения под воздействием различных дестабилизирующих факторов. Эти изменения ОЗ называютсянестабильностью , которая оценивается по максимальному и среднеквадратическому значениям отклонений ОЗ от номинального значения или величиной их дисперсии.

Остаточное затухание канала связано с его полосой пропускания. Полоса частот канала, в пределах которой остаточное затухание отличается от номинального не более, чем на некоторую величину DA r , называется эффективно передаваемой полосой частот (ЭППЧ). В пределах ЭППЧ нормируются допустимые отклонения ОЗDA r от номинального значения. Наиболее распространенным способом нормирования является использование “шаблонов” допустимых отклонений ОЗ Примерный вид такого шаблона приведен на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Примерный шаблон допустимых отклонений остаточного затухания канала передачи

На рис. 3.2 приняты следующие обозначения f 0 – частота, на которой определяется номинальное значение ОЗ; f н , f в – нижняя и верхняя граничные частоты ЭППЧ; 1,2 – границы допустимых отклонений ОЗ; 3 – вид измеренной частотной характеристики ОЗ. Отклонения ОЗ от номинального определяются по формуле

, (3.2)

где f - текущая частота иf 0 – частота определения номинального значения ОЗ.

С понятием ЭППЧ тесно связана амплитудно-частотная характеристика -АЧХ (или просточастотная характеристика ) канала, под которой понимаетсязависимость остаточного затухания от частоты А r =j ч (f ) при постоянном уровне на входе канала, т.е. р вх = const . Эта характеристика оценивает амплитудно-частотные (просто частотные) искажения, вносимые каналом за счет зависимости его ОЗ от частоты. Допустимые искажения определяются шаблоном отклонений ОЗ в пределах ЭППЧ. Примерный вид АЧХ канала показан на рис. 3.3.

Для передачи ряда сигналов электросвязи важной является фазо-частотная характеристика – ФЧХ (простофазовая характеристика ) канала, под которой понимается зависимость фазового сдвига между выходным и входным сигналами от частоты, т.е.b=j ф (f). Общий вид фазовой характеристики канала приведен на рис. 3.4

(линия 1).

Рис.3. 3. Частотная характеристика канала. Рис.3. 4. Фазовая характеристика канала.

В средней части ЭППЧ указанная характерситика близка к линейной, а на ее границах наблюдается заметная нелинейность, обусловленная фильтрами, входящими в состав канала передачи. В связи с тем, что непосредственное измерение фазового сдвига, вносимого каналом, затруднительно, для оценки фазовых искажений рассматривают частотную характеристику группового времени прохождения – ГВП (или замедления – ГВЗ)

t (w ) = db (w) /d w , (3.3)

где b (w ) – фазо-частотная характеристика. Примерный вид частотной характеристики ГВП показан на рис.3.4 (линия 2).

Частотные характеристики остаточного затухания, фазового сдвига или группового времени прохождения определяют линейные искажения , вносимые каналами передачи при прохождении по ним сигналов электросвязи.

Зависимость мощности, напряжения, тока или их уровней на выходе канала от мощности, напряжения, тока или их уровней на входе канала называется амплитудной характеристикой –АХ . Под АХ канала понимается также зависимость остаточного затухания канала от уровня сигнала на его входе, т.е.A r =j а (р вх ), измеренная на некоторой обусловленной постоянной частоте измерительного сигнала на входе канала, т.е.f изм =const.

Амплитудная характеристика канала может быть представлена различными зависимостями, показанными на рис.3.5: U вых =j н (U вх ) (рис.3.5 а, линии 1 и 2), А r = j А (р вх ) (рис. 3.5 б, линия 1),р вх =j р (р вых ) (рис. 3.5 б, линии 2 и 3), где приняты следующие обозначения:U вх , U вых – напряжения сигнала на входе и выходе канала соответственно;р вх , р вых – уровни (напряжения, мощности) сигналов на входе и выходе канала соответственно;A r – остаточное затухание канала передачи.

Из рассмотрения графиков, представленных на рис.3.5 видно, что АХ имеет три участка:

1) нелинейный участок при малых значениях напряжения или уровней сигнала на входе канала. Нелинейность АХ при этом объясняется соизмеримостью напряжения или уровня сигнала с шумами самого канала;

2) линейный участок при значениях напряжения или уровня входного сигнала, для которого характерна прямая пропорциональная зависимость между напряжением (уровнем) сигнала на входе канала и напряжением (уровнем) сигнала на выходе канала;

Рис.3. 5. Амплитудные характеристики канала передачи

3) участок с существенной нелинейностью при значениях входного напряжения (уровня) сигнала выше максимального U макс (р макс ), для которого характерно появлениенелинейных искажений. Если угол наклона прямой, соответствующей линейному участку АХ, равен 45 0 , то напряжение (уровень) сигнала на выходе канала равно напряжению (уровню) на его входе. Если угол наклона меньше 45 0 , то в канале имеет место затухание, а если угол наклона больше 45 0 , то в канале имеет место усиление. ЕслиA r > 0, то канал вносит затухание (ослабление), еслиA r <0, то канал передачи вноситостаточное усиление.

Незначительная нелинейность АХ при малых значениях входного напряжения или уровня сигнала не влияет на качество передачи и ею можно пренебречь. Нелинейность АХ при значительных значениях напряжения или уровня входного сигнала, выходящих за пределы линейного участка АХ, проявляются в возникновении гармоник иликомбинационных частот выходного сигнала. По АХ можно лишь приблизительно оценить величину нелинейных искажений. Более точно величина нелинейных искажений в каналах оцениваетсякоэффициентом нелинейных искажений илизатуханием нелинейности.

или
, (3.4)

где U 1г – действующее значение напряжения первой (основной гармоники измерительного сигнала; U 2г ,U 3г и т.д. – действующие значения напряжений второй, третьей и т.д. гармоник сигнала, возникших из-за нелинейности АХ канала передачи. Кроме того, в технике многоканальных телекоммуникационных систем передачи широко пользуются понятиемзатухания нелинейности по гармоникам

А нг = 20lg(U 1г / U n г ) =р 1г - р n г ,n = 2, 3 …, (3.5)

где р 1г – абсолютный уровеньпервой гармоники измерительного сигнала,р n г – абсолютный уровеньn –ой гармоники , обусловленной нелинейностью АХ канала.

Цифровые каналы характеризуются скоростью передачи, а качество передачи сигналов оценивается коэффициентом ошибки , под которым понимаетсяотношение числа элементов цифрового сигнала, принятых с ошибками к общему числу элементов сигнала, переданных в течение времени измерения

К ош = N ош / N =N ош / ВТ , (3.6)

где N ош – число ошибочно принятых элементов;N – общее число переданных элементов;В – скорость передачи в бодах;Т – время измерения (наблюдения).

Телекоммуникационные системы должны быть построены таким образом, чтобы каналы обладали бы определенной универсальностью и были бы пригодны для передачи различного вида сообщений. Такими свойствами обладают типовые каналы , параметры и характеристики которых нормированы. Типовые каналы могут бытьпростыми, т.е. не проходящим через оборудование транзита, и составными , т.е. проходящими через оборудование транзита.

Типовые каналы передачи

Канал тональной частоты . Типовой аналоговый канал передачи с полосой частот 300…3400 Гц и с нормированными параметрами и характеристиками называетсяканалом тональной частоты – КТЧ.

Нормированная (номинальная величина) относительного (измерительного) уровня на входе КТЧ равна р вх = - 13дБм 0, на выходе КТЧр вых = + 4дБм 0. Частота измерительного сигнала принимается равнойf изм = 1020 Гц (ранее 800 Гц ). Таким образом, номинальное остаточное затухание КТЧ равноA r = - 17 дБ , т.е. КТЧ вносит усиление равное 17дБ .

Эффективно передаваемой полосой частот КТЧ (составного и максимальной протяженности) называется полоса, на крайних частотах которой (0,3 и 3,4 кГц) остаточное затуханиеA r на 8,7 дБ превышает величину остаточного затухания на частоте 1020 Гц (ранее 800 Гц).

Частотная характеристика отклонений остаточного затухания D А r от номинального значения (- 17дБ ) должна оставаться в пределахшаблона , приведенного на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Шаблон допустимых отклонений остаточного затухания КТЧ

Чтобы выполнить требования к частотной характеристики остаточного затухания, ее неравномерность для простого канала длиной 2500 км должна укладываться в переделы, указанные в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Фазо-частотные искажения мало влияют на качество передачи речевых сигналов, но так как КТЧ используется для передачи и других первичных сигналов, большие фазо-частотные искажения или неравномерность частотной характеристики группового времени прохождения (ГВП) недопустимы. Поэтому нормируются отклонения ГВП от его значения на частоте 1900 Гц для простого канала длиной 2500 км, табл.3.2.

Таблица 3.2

Естественно, что для составных каналов отклонения ГВП будут во столько раз больше, сколько простых каналов организуют составной.

Амплитудная характеристика КТЧ нормируется следующим образом: остаточное затухание простого канала должно быть постоянным с точностью до 0,3 дБ при изменении уровня измерительного сигнала от –17,5 до +3,5дБ в точке с нулевым измерительным уровнем на любой частоте в переделах ЭППЧ. Коэффициент нелинейных искажений для простого канала не должен превышать 1,5% (1% по 3-й гармонике) при номинальном уровне передачи на частоте 1020Гц .

Нормирование касается и степени согласования входного и выходного сопротивлений КТЧ с сопротивлениями внешних цепей – нагрузок: внутренним сопротивлением источника передаваемых сигналов и сопротивлением нагрузки. Входное и выходное сопротивление КТЧ должны быть чисто активные и равны R вх = R вых = 600Ом . Вход и выход канала должны бытьсимметричными , коэффициент отражения d или затухание несогласованности (отражения ) А d равные соответственно не должны превышать 10% или 20дБ .

(3.7)

не должны превышать 10% или 20 дБ . ЗдесьZ н - номинальное, аZ р – реальное значение сопротивления.

Важным показателем качества передачи по КТЧ является мощность помех, которые измеряются специальным прибором, называемым псофометром (“псофос” – по гречески означает шум). Псофометр представляет вольтметр с квадратичной характеристикой выпрямления. Выбор такой характеристики объясняется тем, что ухо складывает шумы от отдельных источников по мощности, а мощность пропорциональна квадрату напряжения или тока. От обычных квадратичных вольтметров псофометры отличаются наличием у них частотной зависимости чувствительности. Эта зависимость учитывает различную чувствительность уха на отдельных частотах, входящих в состав спектра помех и шумов, и формируется взвешивающимпсофометрическим фильтром.

При подаче на вход псофометра напряжения частотой 800 Гц с нулевым измерительным уровнем его показание будет равно 775мВ . Для получения того же значения при иных частотах уровни должны быть большей частью выше. Напряжение помех, измеренное псофометромU псоф , связано с эффективным напряжениемU эфф соотношениемU псоф = k п × U эфф , здесьk п = 0,75 называетсяпсофометрическим коэффициентом.

Напряжение помех или шумов, измеренное псофометром, называется псофометрическим напряжением . Мощность, определяемая псофометрическим напряжением на некотором сопротивленииR , называетсяпсофометрической мощностью, которая равнаP псоф = k п × U 2 эфф / R = 0,56U 2 эфф R .

Средний уровень мощности помех с равномерным спектром оказывается при псофометрических измерениях в полосе частот 0,3…3,4 кГц на 2,5дБ (или в 1,78 раза) меньше, чем при измерениях действующих (эффективных) значений. Величина 2,5дБ называетсялогарифмическим псофометрическим коэффициентом.

Псофометрическая мощность помех в точке с нулевым измерительным уровнем КТЧ максимальной протяженности, состоящего из максимального числа простых каналов, не должна превышать 50000 пВтп 0 (пиковаттпсофометрических в точке нулевого относительного уровня). Соответствующее значение эффективной (невзвешенной ) допустимой мощности помех составляет 87000пВт. Псофометрическая мощность помех простого канала длиной 2500км не должна превышать 10000пВтп 0.

Нормируются также допустимые величины средней и пиковой мощности телефонных сигналов на входе КТЧ: в точке нулевого относительного уровня среднее значение мощности составляет 32 мкВт , а пиковое – 2220мкВт.

Передача информации происходит от источника к получателю (приемнику) информации. Источником информации может быть все, что угодно: любой объект или явление живой или неживой природы. Процесс передачи информации протекает в некоторой материальной среде, разделяющей источника и получателя информации, которая называется каналом передачи информации. Информация передается через канал в форме некоторой последовательности сигналов, символов, знаков, которые называются сообщением . Получатель информации - это объект, принимающий сообщение, в результате чего происходят определенные изменения его состояния. Все сказанное выше схематически изображено на рисунке.

Передача информации

Человек получает информацию от всего, что его окружает, посредством органов чувств: слуха, зрения, обоняния, осязания, вкуса. Наибольший объем информации человек получает через слух и зрение. На слух воспринимаются звуковые сообщения - акустические сигналы в сплошной среде (чаще всего - в воздухе). Зрение воспринимает световые сигналы, переносящие изображение объектов.

Не всякое сообщение информативно для человека. Например, сообщение на непонятном языке хотя и передается человеку, но не содержит для него информации и не может вызвать адекватных изменений его состояния.

Информационный канал может иметь либо естественную природу (атмосферный воздух, через который переносятся звуковые волны, солнечный свет, отраженный от наблюдаемых объектов), либо быть искусственно созданным. В последнем случае речь идет о технических средствах связи.

Технические системы передачи информации

Первым техническим средством передачи информации на расстояние стал телеграф, изобретенный в 1837 году американцем Сэмюэлем Морзе. В 1876 году американец А.Белл изобретает телефон. На основании открытия немецким физиком Генрихом Герцем электромагнитных волн (1886 г.), А.С. Поповым в России в 1895 году и почти одновременно с ним в 1896 году Г.Маркони в Италии, было изобретено радио. Телевидение и Интернет появились в ХХ веке.

Все перечисленные технические способы информационной связи основаны на передаче на расстояние физического (электрического или электромагнитного) сигнала и подчиняются некоторым общим законам. Исследованием этих законов занимается теория связи , возникшая в 1920-х годах. Математический аппарат теории связи - математическую теорию связи , разработал американский ученый Клод Шеннон.

Клод Элвуд Шеннон (1916–2001), США

Клодом Шенноном была предложена модель процесса передачи информации по техническим каналам связи, представленная схемой.

Техническая система передачи информации

Под кодированием здесь понимается любое преобразование информации, идущей от источника, в форму, пригодную для ее передачи по каналу связи. Декодирование - обратное преобразование сигнальной последовательности .

Работу такой схемы можно пояснить на знакомом всем процессе разговора по телефону. Источником информации является говорящий человек. Кодирующим устройством - микрофон телефонной трубки, с помощью которого звуковые волны (речь) преобразуются в электрические сигналы. Каналом связи является телефонная сеть (провода, коммутаторы телефонных узлов, через которые проходит сигнал). Декодирующим устройством является телефонная трубка (наушник) слушающего человека - приемника информации. Здесь пришедший электрический сигнал превращается в звук.

Современные компьютерные системы передачи информации - компьютерные сети, работают по тому же принципу. Есть процесс кодирования, преобразующий двоичный компьютерный код в физический сигнал того типа, который передается по каналу связи. Декодирование заключается в обратном преобразовании передаваемого сигнала в компьютерный код. Например, при использовании телефонных линий в компьютерных сетях функции кодирования-декодирования выполняет прибор, который называется модемом.

Пропускная способность канала и скорость передачи информации

Разработчикам технических систем передачи информации приходится решать две взаимосвязанные задачи: как обеспечить наибольшую скорость передачи информации и как уменьшить потери информации при передаче. Клод Шеннон был первым ученым, взявшимся за решение этих задач и создавшим новую для того времени науку - теорию информации .

К.Шеннон определил способ измерения количества информации, передаваемой по каналам связи. Им было введено понятие пропускной способности канала , как максимально возможной скорости передачи информации. Эта скорость измеряется в битах в секунду (а также килобитах в секунду, мегабитах в секунду).

Пропускная способность канала связи зависит от его технической реализации. Например, в компьютерных сетях используются следующие средства связи:

Телефонные линии,

Электрическая кабельная связь,

Оптоволоконная кабельная связь,

Радиосвязь.

Пропускная способность телефонных линий - десятки, сотни Кбит/с; пропускная способность оптоволоконных линий и линий радиосвязи измеряется десятками и сотнями Мбит/с.

Шум, защита от шума

Термином “шум” называют разного рода помехи, искажающие передаваемый сигнал и приводящие к потере информации. Такие помехи прежде всего возникают по техническим причинам: плохое качество линий связи, незащищенность друг от друга различных потоков информации, передаваемых по одним и тем же каналам. Иногда, беседуя по телефону, мы слышим шум, треск, мешающие понять собеседника, или на наш разговор накладывается разговор совсем других людей.

Наличие шума приводит к потере передаваемой информации. В таких случаях необходима защита от шума.

В первую очередь применяются технические способы защиты каналов связи от воздействия шумов. Например, использование экранированного кабеля вместо “голого” провода; применение разного рода фильтров, отделяющих полезный сигнал от шума, и пр.

Клодом Шенноном была разработана теория кодирования , дающая методы борьбы с шумом. Одна из важных идей этой теории состоит в том, что передаваемый по линии связи код должен быть избыточным . За счет этого потеря какой-то части информации при передаче может быть компенсирована. Например, если при разговоре по телефону вас плохо слышно, то, повторяя каждое слово дважды, вы имеете больше шансов на то, что собеседник поймет вас правильно.

Однако нельзя делать избыточность слишком большой. Это приведет к задержкам и удорожанию связи. Теория кодирования позволяет получить такой код, который будет оптимальным. При этом избыточность передаваемой информации будет минимально возможной, а достоверность принятой информации - максимальной.

В современных системах цифровой связи для борьбы с потерей информации при передаче часто применяется следующий прием. Все сообщение разбивается на порции - пакеты . Для каждого пакета вычисляется контрольная сумма (сумма двоичных цифр), которая передается вместе с данным пакетом. В месте приема заново вычисляется контрольная сумма принятого пакета и, если она не совпадает с первоначальной суммой, передача данного пакета повторяется. Так будет происходить до тех пор, пока исходная и конечная контрольные суммы не совпадут.

Рассматривая передачу информации в пропедевтическом и базовом курсах информатики, прежде всего следует обсудить эту тему с позиции человека как получателя информации. Способность к получению информации из окружающего мира - важнейшее условие существования человека. Органы чувств человека - это информационные каналы человеческого организма, осуществляющее связь человека с внешней средой. По этому признаку информацию делят на зрительную, звуковую, обонятельную, тактильную, вкусовую. Обоснование того факта, что вкус, обоняние и осязание несут человеку информацию, заключается в следующем: мы помним запахи знакомых объектов, вкус знакомой пищи, на ощупь узнаем знакомые предметы. А содержимое нашей памяти - это сохраненная информация.

Следует рассказать ученикам, что в мире животных информационная роль органов чувств отличается от человеческой. Важную информационную функцию для животных выполняет обоняние. Обостренное обоняние служебных собак используется правоохранительными органами для поиска преступников, обнаружения наркотиков и пр. Зрительное и звуковое восприятие животных отличается от человеческого. Например, известно, что летучие мыши слышат ультразвук, а кошки видят в темноте (с точки зрения человека).

В рамках данной темы ученики должны уметь приводить конкретные примеры процесса передачи информации, определять для этих примеров источник, приемник информации, используемые каналы передачи информации.

При изучении информатики в старших классах следует познакомить учеников с основными положениями технической теории связи: понятия кодирование, декодирование, скорость передачи информации, пропускная способность канала, шум, защита от шума. Эти вопросы могут быть рассмотрены в рамках темы “Технические средства компьютерных сетей”.

На сегодняшний день информация так быстро распространяется, что не всегда хватает времени ее осмыслить. Большинство людей редко задумываются о том, как и с помощью каких средств она передается, а уж тем более не представляют себе схему передачи информации.

Основные понятия

Передачей информации принято считать физический процесс перемещения данных (знаков и символов) в пространстве. С точки зрения передачи данных - это спланированное заранее, технически оснащенное мероприятие по перемещению информационных единиц за установленное время от так называемого источника к приемнику посредством информационного канала, или канала передачи данных.

Канал передачи данных - совокупность средств или среда распространения данных. Другими словами, это та часть схемы передачи информации, которая обеспечивает движение информации от источника к получателю, а при определенных условиях и обратно.

Классификаций каналов передачи данных много. Если выделить основные из них, то можно перечислить следующие: радиоканалы, оптические, акустические или беспроводные, проводные.

Технические каналы передачи информации

Непосредственно к техническим каналам передачи данных относятся радиоканалы, оптоволоконные каналы и кабельные. Кабель может быть коаксиальный или на основе витых пар. Первые представляют собой электрический кабель с медным проводом внутри, а вторые - витые пары медных проводов, изолированные попарно, находящиеся в диэлектрической оболочке. Эти кабели довольно гибкие и удобные в использовании. Оптоволокно состоит из оптоволоконных нитей, передающих световые сигналы посредством отражения.

Основными характеристиками являются пропускная способность и помехоустойчивость. Под пропускной способностью принято понимать тот объем информации, который можно передать по каналу за определенное время. А помехоустойчивостью называют параметр устойчивости канала к воздействию внешних помех (шумов).

Общее представление о передаче данных

Если не конкретизировать область применения, общая схема передачи информации выглядит несложно, включает в себя три компонента: «источник», «приемник» и «канал передачи».

Схема Шеннона

Клод Шеннон, американский математик и инженер, стоял у истоков теории информации. Им была предложена схема передачи информации по техническим каналам связи.

Понять эту схему несложно. Особенно если представить её элементы в виде знакомых предметов и явлений. Например, источник информации - человек, говорящий по телефону. Телефонная трубка будет являться кодирующим устройством, которое преобразует речь или звуковые волны в электрические сигналы. Каналом передачи данных в этом случае является узлы связи, в общем, вся телефонная сеть, ведущая от одного телефонного аппарата к другому. Декодирующим устройством выступает трубка абонента. Она преобразует электрический сигнал обратно в звук, то есть в речь.

В этой схеме процесса передачи информации данные представлены в виде непрерывного электрического сигнала. Такая связь называется аналоговой.

Понятие кодирования

Кодированием принято считать преобразование информации, посылаемой источником, в форму, пригодную для передачи по используемому каналу связи. Самый понятный пример кодирования - это азбука Морзе. В ней информация преобразуется в последовательность точек и тире, то есть коротких и длинных сигналов. Принимающая сторона должна декодировать эту последовательность.

В современных технологиях используется цифровая связь. В ней информация преобразуются (кодируется) в двоичные данные, то есть 0 и 1. Существует даже бинарный алфавит. Такая связь называется дискретной.

Помехи в информационных каналах

В схеме передачи данных также присутствует шум. Понятие "шум" в данном случае означает помехи, из-за которых происходит искажение сигнала и, как следствие, его потеря. Причины помех могут быть различные. Например, информационные каналы могут быть плохо защищены друг от друга. Для предотвращения помех применяют различные технические способы защиты, фильтры, экранирование и т. д.

К. Шенноном была разработана и предложена к использованию теория кодирование для борьбы с шумом. Идея заключается в том, что раз под воздействием шума происходит потеря информации, значит, передаваемые данные должны быть избыточны, но в то же время не настолько, чтобы снизить скорость передачи.

В цифровых каналах связи информация делится на части - пакеты, для каждого из которых вычисляется контрольная сумма. Эта сумма передается вместе с каждым пакетом. Приемник информации заново вычисляет эту сумму и принимает пакет, только если она совпадает с первоначальной. В противном случае пакет отправляется снова. И так до тех пор, пока отправленная и полученная контрольные суммы не совпадут.

В общем случае под каналом передачи информации понимают всю совокупность технических средств, обеспечивающих передачу электрических сигналов от источника сообщений к потребителю. При рассмотрении каналов линию связи чаще всего полагают заданной (считается, что все необходимые характеристики линии связи известны) и все задачи анализа и синтеза каналов передачи информации сводятся к анализу и синтезу операторов преобразования сигналов в передатчике, приемнике и других устройствах.

Каналы передачи информации классифицируют по различным признакам: по назначению, по характеру линий связи, по диапазону частот, по характеру сигналов на входе и выходе каналов и т. п. По назначению каналы делятся на телефонные,

телеграфвые, телевизионные, фототелеграфные, звукового вещания, телеметрические, передачи данных и др. В зависимости от того, распространяются ли сигналы в свободном пространстве или по направляющим линиям, различают каналы радиосвязи и каналы проводной связи: воздушные, кабельные, волноводные, световодные и др. По воздушным проводным линиям связи передают сигналы в диапазоне 0-160 кГц. На более высоких частотах возрастает влияние помех, резко увеличивается затухание сигналов, сказывается влияние радиовещательных станций длинноволнового диапазона. Существенный недостаток воздушных проводных линий связи - большая зависимость их характеристик от атмосферных условий. Значительно лучшими характеристиками и большей устойчивостью в работе обладают кабельные линии связи. Они являются основой сетей магистральной дальней связи, по ним передают сигналы в диапазоне частот от 600 кГц до 60 МГц. С дальнейшим увеличением частоты затухание сигналов резко возрастает.

В настоящее время ведутся интенсивные теоретические и экспериментальные работы по исследованию металлических волноводов. Полученные результаты позволяют надеяться, что эти линии связи будут широко использоваться для передачи сигналов в диапазоне 35-80 ГГц (длина волны 8,6-3,75 мм). Перспективен круглый волновод с внутренним диаметром 6 см, по которому молено организовать более 200 000 стандартных телефонных каналов (каналов тональной частоты с эффективно используемой полосой частот от 300 до 3400 Гц) или около 200 телевизионных каналов . Экономические расчеты показывают, что при организации телефонных каналов до 30000 еще целесообразно применять коаксиальный кабель, свыше 30 000 каналов - волновод. Еще большее число стандартных каналов можно организовать, используя оптические системы связи, в которых применяют сигналы в полосе частот 600-900 ТГц (0,5-0,3 мкм). Используя закрытые направляющие системы, которые получили название световодов, можно осуществить устойчивую связь на большие расстояния. Большой практический интерес представляют диэлектрические гибкие волоконные световоды.

Наряду с проводными линиями связи широко используют радиолинии различных диапазонов. Эти линии во многих случаях более экономичны, позволяют быстро организовать сверхдальнюю (глобальную) связь без промежуточных станций. Кроме того, и это очень важно, - эти линии являются единственным средством связи с подвижными объектами (воздушными судами, космическими кораблями, морскими судами, включая и подводные лодки, автомобилями и пр.).

Наибольшее распространение для передачи многоканальных сообщений получили наземные радиорелейные линии, работающие в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах волн на частотах от 60 МГц до 15 ГГц. На этих частотах обеспечивается широкая полоса тракта передачи, необходимая для многоканальной телефонной и телевизионной связи, мал уровень

атмосферных и промышленных помех. Все это обеспечивает высокую помехоустойчивость передачи информации.

Разновидностью радиорелейных линий являются тропосферные линии, в которых принимаются сигналы, отраженные от неоднородностей тропосферы. Использование дальнего тропосферного распространения радиоволн позволяет создать линии дальней радиосвязи с расстояниями между ретрансляционными станциями в несколько сотен километров. Эти линии работают чаще всего в диапазоне частот от 0,5 до 6 ГГц.

Перспективны спутниковые линии связи. По принципу работы они представляют разновидность радиорелейных линий, ретрансляторы которых находятся на искусственных спутниках Земли. Существенным преимуществом спутниковых линий является большая дальность связи, которая при одном спутнике (ретрансляторе) составляет около 10 000 км. При использовании системы спутников можно организовать глобальную связь - между любыми пунктами Земли. Спутниковые линии связи работают в диапазоне частот 4-6 ГГц. В настоящее время отведено шесть новых частотных диапазонов от 11 до 250 ГГц, освоение которых позволит существенно повысить качественные показатели спутниковой связи. Спутниковые системы связи, особенно с цифровыми методами передачи сигналов, перспективны и в гражданской авиации, особенно с выходом на воздушные трассы сверхзвуковых пассажирских судов.

Как видим, для современных методов и средств передачи информации характерен переход на все более высокие частоты. Это обусловлено следующими основными причинами: применение высоких частот позволяет получить остронаправленное излучение при малых размерах антенн; в высокочастотных диапазонах меньшее влияние оказывают атмосферные и промышленные помехи; чем выше несущая частота, тем большее число каналов можно организовать без взаимных помех; только в высокочастотных диапазонах, начиная с метрового, можно организовать большое число широкополосных каналов, таких, например, как каналы видеотелефонной связи и телевизионные каналы.

Одной из основных задач анализа каналов передачи информации является анализ искажений передаваемых по ним сигналов. Более всего на качестве передачи информации сказываются искажения формы сигналов, определяемые реальными амплитудными и частотными характеристиками каналов, а также многолучевым распространением радиоволн. Математические модели для полного анализа искажений в реальных каналах достаточно сложны.

Для общего приближенного анализа искажений канал рассматривают как эквивалентный четырехполюсник, работа которого описывается определенным оператором Если входной сигнал то сигнал на выходе канала Для более детального анализа искажений канал связи представляют как последовательное соединение линейного, в общем случае инерционного, и нелинейного неинерционного четырехполюсников, в

которых и происходят линейные и нелинейные искажения сигналов. Если в состав канала входят модулятор и демодулятор или учитываются замирания сигналов, то к этим четырехполюсникам последовательно включают еще и четырехполюсник с переменными параметрами. Если требуется анализировать работу отдельных устройств канала, число последовательно соединенных четырехполюсников увеличивают. Например, для анализа радиоканала передачи дискретных сообщений часто используют структурную схему, представленную на рис. 1,1.

Рис. 1.1. Структурная схема канала передачи информации

Канал рассматривается как последовательное соединение кодера, первого и второго модулятора, линии связи, первого и второго демодулятора и декодера. Использование модели канала в виде эквивалентного четырехполюсника (или последовательного соединения четырехполюсников) позволяет решить ряд задач анализа и синтеза каналов методами теории радиотехнических цепей и статистической радиотехники .

По характеру сигналов на входе и выходе каналов различают дискретные, непрерывные, дискретно-непрерывные и непрерывно-дискретные каналы. Дискретным каналом, например в схеме рис. 1.1, является канал, рассматриваемый от входа кодера до выхода декодера или от входа первого модулятора до выхода второго демодулятора. Если рассматривать совокупность технических средств от выхода первого или второго модулятора до входа первого или второго демодулятора, то в любой системе передачи информации эта совокупность образует непрерывный канал. Примером дискретно-непрерывного канала служит совокупность технических средств от входа первого модулятора до входа первого или второго демодулятора. Непрерывно-дискретный канал образуется, если анализировать в схеме рис. 1.1 прохождение сигналов от выхода первого или второго модулятора до выхода второго демодулятора или в общем случае до выхода декодера. Таким образом, на основе непрерывного канала (на рис. 1.1 он показан штриховой

линией) образуются каналы всех других видов. Поэтому изучению непрерывных каналов уделяют большое внимание.

Математические модели для исследования каналов строят с учетом рассмотренной классификации. По существу разработка модели сводится к определению структуры и параметров эквивалентного оператора преобразования сигнала в канале. В зависимости от типа этого оператора различают каналы: линейные, нелинейные, инерционные, безынерционные, стационарные, нестационарные, детерминированные, вероятностные и др. Наиболее изучены линейные инерционные каналы с постоянными параметрами.

Если передаваемый сигнал рассматривается как случайный процесс, что значительно приближает модели сигналов к реальным, то при анализе прохождения сигнала через канал необходимо анализировать прохождение случайных процессов через четырехполюсники, описываемые различными операторами. Такие задачи решают в статистической радиотехнике , результаты решения этих задач находят непосредственное применение при анализе каналов передачи информации.

Как и для сигналов, для каналов удобно использовать такие физические характеристики, как время занятости канала полоса пропускания (прозрачности) канала, диапазон допустимых уровней сигналов при передаче по каналу, база канала емкость канала