Информация, сообщение, сигналы

Часть I. СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ

ИНФОРМАЦИЯ, СООБЩЕНИЕ, СИГНАЛЫ

Под системой электросвязи понимают совокупность технических средств и среды распространения сигналов, обеспечивающих пе­редачу сообщений от источника к потребителю (или потребите­лям). Для удовлетворения потребностей современного общества уже созданы сотни систем электросвязи различного назначения и число их продолжает расти. Все они необходимы для обмена информацией.

Таким образом, при характеристике систем электросвязи ис­пользуются понятия — информация, сообщение, сигнал, которые имеют много общего и иногда используются как синонимы. Одна­ко их надо различать для правильного понимания физических процессов обмена информацией в системах связи.

В широком смысле информации (от лат. informatio — разъяс­нение, изложение) — это новые сведения об окружающем нас мире, которые мы получаем в результате взаимодействия с ним. Информация — одна из важнейших категорий естествознания (на ряду с веществом, энергией и полем).

Можно выделить три основных вида информации в обществе: личную, специальную и массовую. Личная информация касается тех или иных событий в личной жизни человека. К специальной информации относится научно-техническая, деловая, производст­венная, экономическая и др. Массовая информация предназначе­на для большой группы людей и распространяется через сред­ства массовой информации: газеты, журналы, радио, телевиде­ние.

Информация в любой форме является объектом хранения, пе­редачи и преобразования. В теории и технике связи в первую оче­редь интересуются свойствами информации при ее передаче и под информацией понимают совокупность сведений о явлениях, событиях, фактах, заранее не известных получателю.

Сообщение — форма представления информации. Это услов­ные знаки, с помощью которых мы получаем те или другие све­дения (информацию). Так, сведения о результате футбольного матча можно узнать из рассказа очевидца (условное сообщение) или прочитать в газете (письменное сообщение). При телеграф­ной передаче сообщением является текст телеграммы, представ­ляющей собой последовательность различных букв и знаков. При разговоре сообщение представляет собой последовательность зву­ков. При телевизионных передачах сообщение — изменение во времени яркости и цветности элементов изображения. Однако сообщения в общем случае не могут быть непосредственно пере­даны в системе электросвязи в соответствующий адрес и допол­нительно преобразовываются в сигнал.

Сигнал (лат. signum — знак) — процесс изменения во време­ни физического состояния какого-либо объекта, служащий для отображения, регистрации или передачи сообщений. Сигнал — это материальный носитель (переносчик) сообщений. В современ­ной технике нашли применение электрические, электромагнитные, световые, механические, звуковые сигналы. Для передачи сооб­щений необходимо применять тот переносчик, который способен наилучшим образом преодолеть расстояние от источника к пот­ребителю.

В системах электросвязи в качестве переносчика, использу­емого для передачи сообщений на расстояния, является обычно переменный электрический ток, электромагнитное поле, свето­вые волны. И это не случайно. Во-первых, скорость распростра­нения в пространстве перечисленных переносчиков приближает­ся к предельной скорости распространения любых физических процессов, равной скорости света в вакууме — 3*10⁸ м/с; во-вто­рых, с их помощью можно передавать огромное количество ин­формации.

Из приведенных определений следует, что в любой системе электросвязи должны быть устройства, осуществляющие преоб­разования (на передаче: информация > сообщение >сигнал; на приеме: сигнал > сообщение > информация). Кроме того, в процессе передачи сигнал подвергается и другим преобразовани­ям, многие из которых являются типовыми, обязательными для различных систем электросвязи, независимо от их назначения и характера передаваемых сообщений. Перечислим эти процессы и их основные черты применительно к обобщенной структурной схеме системы электросвязи, представленной на рис. 1.1.

Источник и получатель информации. Источником информации является физический объект, который формирует конкретное сообщение. Получатель этого сообщения и является получателем информации. Первоначально информационный обмен в системах связи осуществлялся между людьми. Сегодня в связи с автоматизацией производства и управления создают и потреб­ляют информацию изготовленные человеком всевозможные авто­маты, вычислительные машины, дистанционно управляемые устройства и т. д.

Рис. 1.1. Обобщенная структурная схема системы электросвязи

На рис. 1.1 формируемое источником сообщение обозначено а_пр ,а поступающее к потребителю а_пр. В общем слу­чае сообщения могут быть функциями времени (речь, музыка, движущееся изображение), но могут и не являться ими (фото­графия, текст, рисунок).

При всем многообразии сообщений их можно разбить на два типа — непрерывные и дискретные. Непрерывные сообщения при­нимают любые значения в некотором интервале. К таким сообще­ниям можно отнести речь, музыку, рисунок. Конечное число воз­можных значений — характерный признак дискретного сообще­ния. Типичный пример — выражение информации в виде букв

алфавита.

Преобразование сообщения в электрический сигнал. Этот процесс в общем случае осуществляется с помо­щью электрических или электромеханических устройств, которые воспринимают неэлектрические сообщения и выдают их в виде электрического процесса — изменяющегося во времени напряже­ния или тока. Это так называемые первичные преобразователи и их выходной сигнал является первичным электрическим сигналом u(t) (или, проще, первичным сигналом). Так, при передаче речи и музыки первичное преобразование производится микрофоном, при передаче изображения (телевидение) — с помощью переда­ющих трубок (например, суперортикона). Буквы текста преобра­зуются в стандартные электрические сигналы (например, импуль­сы и паузы различной длительности в азбуке Морзе).

Линия связи. Под линией связи понимают совокупность физических цепей, имеющих общую среду распространения и слу­жащих для передачи электрических сигналов от передатчика к приемнику. Такими физическими цепями, соединяющими пере­датчик и приемник, могут быть пара проводов, коаксиальный ка­бель, цепочка радиорелейных линий, часть пространства между передающей и приемной антеннами в радиосвязи.

Для каждого типа линии связи имеются сигналы, наиболее эффективно распространяющиеся по ней: например, по провод­ной линии — постоянный ток и переменные токи невысоких час­тот (не более нескольких десятков килогерц), по радиолинии — электромагнитные колебания высоких частот (от сотен килогерц до десятков тысяч мегагерц), в оптических кабелях—световые волны с частотами10¹⁴... 10¹⁸ Гц.

При прохождении по линии связи электрические сигналы, во-первых, значительно ослабляются (затухают), во-вторых, подвер­гаются воздействию посторонних мешающих электромагнитных колебаний — помех. Антенна приемника, например, улавливает ничтожную долю электромагнитной энергии, излучаемой антен­ной передатчика, уровень же помех в антенне часто намного пре­вышает уровень сигнала. Следовательно, на выходе линии связи будет смесь принятого сигнала и помехи, обозначенная на рис.1.1 z(t).

Передатчик. Первичные сигналы с преобразователя, как правило, не могут быть непосредственно переданы по линии свя­зи. И не только потому, что они обычно малого уровня. Гораздо более существенно то обстоятельство, что первичные сигналы низкочастотные, а в линии связи эффективно передаются высоко­частотные колебания. Для согласования первичных сигналов с линией связи применяется устройство, называемое передатчиком, т. е. именно в нем осуществляется преобразование первичных сиг­налов u(t) в сигналы, удобные для передачи по линии связи (по форме, мощности, частоте и т. д.). В простейшем случае пере­датчик может содержать усилитель первичных сигналов или толь­ко фильтр, ограничивающий полосу передаваемых частот. В боль­шинстве случаев передатчик — генератор переносчика (несущей) и модулятор. Процесс модуляции заключается в управлении па­раметрами переносчика первичным сигналом u(t). На выходе пе­редатчика получаем модулированный сигнал s(u, t). Модулиро-ванные сигналы наиболее применимы в электросвязи, и они под­робно описаны в гл. 3.

Приемник. В приемнике из принятого сигнала z(t) извле­кается первичный сигнал, т. е. приемник восстанавливает первич-ный сигнал. Но из-за действия помех в линии связи восстановлен-ный первичный сигнал несколько отличается от переданного и

поэтому на рис. 1.1 обозначается u_пр(t) Кроме того, для компен-

сации ослабления сигнала в линии связи в приемнике произво-гся усиление и обработка принятого сигнала с целью выделе-ния полезного сигнала и подавления помехи.

Преобразование электрического сигнала в сообщение. Обратное преобразование принятого первичного сигнала u_пр(t) в сообщениe а_пр осуществляется также с помощью специальных устройств, например телефона для речевого и кинескопа для телефонного сигналов. В принципе, необходим такой преобразователь, который преобразует принятый первичный сигнал в со-общение, воспринимаемое получателем. Так, при передаче музыки принятый первичный сигнал преобразуется в звуковые коле-бания, если получателем является человек. Если же требуется осуществить магнитофонную запись, то принятый первичный сигнал преобразуется в сигнал, удобный для записи на магнитной ленте. Главное требование к этим действиям — точность преобразования.

Источник и потребитель информации являются абонентами в системе связи. Достаточно часто преобразователи сообщения в первичный сигнал и первичного сигнала в сообщение ставят око­ло источника и потребителя, поэтому их называют абонентскими устройствами или терминалами.

В приведенной на рис. 1.1 структурной схеме системы элек­тросвязи можно выделить канал электросвязи, под которым по­нимают совокупность технических средств и среды распростра­нения, обеспечивающих при подключении оконечных абонент­ских устройств передачу сообщений любого вида от источника к потребителю (потребитель) с помощью сигналов электросвязи.

В зависимости от вида сообщений и среды распространения различают каналы: телефонные, телеграфные, передачи данных, звукового и телевизионного вещания, проводные и кабельные, радиосвязи, цифровые и т. д. Но по каждому из них, в зависи­мости от подключаемых терминалов, могут передаваться различ­ные сообщения.

На практике часто возникает необходимость обеспечить неза­висимую передачу сообщений от нескольких источников, распо­ложенных в пункте А, к потребителям, расположенным в пунк­те В. Использование для каждой пары источник—потребитель отдельной линии связи экономически нецелесообразно. В совре­менных системах передачи информации линии связи являются наиболее дорогостоящим звеном, поэтому возникает задача по­строения систем, использующих одну линию связи для передачи сообщений от нескольких источников. Такие системы называются многоканальными. В них сигналы, поступающие от разных источ­ников сообщений, должны обладать определенными признаками, позволяющими разделить сообщения на приеме. Для этого на пе­редающей стороне необходимо иметь формирователь канальных сигналов, а на приемной — устройства разделения. Таким обра­зом, дополнив структурную схему системы связи (см. рис. 1.1) устройствами формирования и разделения сигналов, получаем многоканальную систему.

При адресной передаче (обмен информацией между конкрет­ными абонентами) в систему связи включаются дополнительные устройства поиска адресата и распределение сообщений. Но эти устройства для процесса передачи электрических сигналов несу­щественны и в курсе ТПСЭ не рассматриваются.

Для осуществления перечисленных процессов в системе элек­тросвязи широко используются генераторы сигналов заданной формы, различная трансформация частоты — преобразование, умножение, деление и т. д. Это разнообразие возникло из-за не­обходимости обеспечить передачу все большего количества ин­формации с лучшим качеством в условиях возрастающей интен­сивности помех и будет болееподробно рассмотрено в последую­щих разделах учебника.