Информация, сообщения и сигналы

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ СВЯЗИ

Информация, сообщения и сигналы являются основными понятиями теории связи, так как любая связь предназначена для передачи и приема с помощью сигналов различных сообщений, содержащих информацию.

Информация -это совокупность наших знаний об окружающем нас мире и, поэтому, является важнейшим ресурсом научно-технического и социально-экономического развития нашего общества. Говорят, что мы живём в информационном мире. В настоящее время информация является, как и любое материальное тело, продуктом, которое можно купить, продать, обменять, накапливать, хранить и т.д. Но информация сильно отличается от других продуктов, а именно:

- информация не исчезает, а только может накапливаться;

- одной и той же информацией можно обмениваться многократно;

- информация легко хранится;

- информацию можно передавать практически мгновенно на любые расстояния.

Для передачи и хранения информации используются различные знаки, которые выражают её в некоторой форме (рисунки, таблицы, слова, фразы и т.д.). Совокупность знаков и символов, отображающих данную информацию, называется сообщением. В зависимости от системы связи сообщения могут иметь разную форму. Например, при телеграфировании - это текст телеграммы, при телефонии - это непрерывное изменение звукового давления на микрофон, при телевидении - это непрерывное изменение яркости экрана и т.д.

Для передачи сообщений используются различные материальные носители - бумаги, дискеты и т.д. Однако в системах связи для передачи сообщений, в основном, используются электрические и оптические сигналы, представляющие собой физический процесс, изменяющийся во времени в соответствии с сообщением. В качестве сигнала могут использоваться электрический ток - i(t), напряжение - и(t) и радиосигналы (модулированные колебания). Сигналы как функция от времени подразделяются на 2 группы:

1. Детерминированные сигналы, в которых известен закон изменения напряжения или тока во времени. Для таких сигналов можно точно предсказать мгновенные значения амплитуды в любые моменты времени. Примером детерминированного сигнала является гармонический ток при заданных значениях амплитуды и частоты .

2. Случайные сигналы - это сигналы, параметры которых изменяются во времени случайным образом под действием передаваемого сообщения. Мгновенные значения их в любые моменты времени заранее предсказать невозможно. Примером случайных сигналов являются помехи, действующие в любых системах передачи.

Отметим, что сигнал, несущее новую информацию, носит случайный характер, так как детерминированный сигнал не может нести информацию. Случайный характер сообщения обусловил важнейшее значение теории вероятности и математической статистики в разработке теории связи и, поэтому, теория вероятности является основным математическим аппаратом для описания процесса передачи сообщений.

С точки зрения теории вероятности информация описывается количеством информации, содержащимся в данном сообщении. Количество информации, передаваемое по каналам связи, определяется выражением:

где -вероятность сообщения об информационном событии на входе системы; -вероятность сообщения об информационном событии на его выходе.

Обычно на выходе системы событие считается достоверной, поэтому =1 (идеализировано), тогда

при этом основание может быть любым и оно определяется методом кодирования. Например: в двоичной системе передачи основание принимается равной 2. Обычно <1, тогда <0, то I >0. Таким образом, количество информации в сообщении определяется вероятностью данного сообщения на входе системы.

Как было сказано выше, любое сообщение передается отдельными символами (цифры, буквы и т.д.). Среднее количество информации, передаваемое одним символом, характеризуется энтропией Н:

где - характеризует вероятность появления -ого символа в данном сообщении;

- число появления данного символа;

- общее число символов в данном сообщении.

Так как <1 и то энтропия является положительной величиной.

Рассмотрим поведение энтропии для двоичной системы передачи, когда рассматриваемая случайная величина может принимать лишь одно из двух возможных значений (символы 0 и 1). В этом случае очевидно, что , где - вероятность появления символа 1, - вероятность появления символа 0. Тогда для энтропии имеем:

График этой функции представлен на рисунке 1.1.

Рис.1.1. График энтропии для двоичной системы.

Как следует из рисунка, энтропия максимальна и равна единице при и равна нулю при = или при .

Этот результат имеет глубокий физический смысл. Равенство нулю или единице одного из возможных состояний вносит полную определенность в событие и, поэтому, сообщение не содержит в себе никакой информации. Наоборот, при исход события является наиболее неопределенным и сообщение содержит максимальную информацию.

Сигналы по способу их представления можно разделить на две группы:

1. Аналоговые сигналы, которые изменяются непрерывно во времени и в пространстве (могут быть детерминированными или случайными). Аналоговый сигнал наглядно может быть представлен своим графиком (осциллограммой) (рис.1.2,а). Аналоговые сигналы легко генерировать, принимать и обрабатывать, поэтому первые системы передачи были полностью аналоговыми.

2. Дискретные сигналы, которые принимают счетное множество точек по оси времени с определенным отсчетным значением в данный момент времени. Дискретные сигналы, обычно, являются дискретными во времени, т.е. они появляются в определенные моменты времени через постоянный интервал времени (рис.1.2, б), называемым шагом дискретизации. Одно из преимуществ дискретных сигналов по сравнению с аналоговыми – это отсутствие необходимости передавать сигнал непрерывно во все моменты времени.

3. Цифровые сигналы являются разновидностью дискретных сигналов, когда дискретизированные во времени сигналы квантуются по амплитуде (рис.1.2, в), т.е. в каждый момент времени определяется число квантов , которые затем кодируются и формируют цифровой поток. Примером цифрового сигнала является двоичный сигнал, который может принимать два уровня 0 и 1. Как видно из рис.1.2,в, дискретный сигнал при t=t₅ имеет 5 квантовых отсчетов, двоичный трехразрядный код которого равен 101₂.

а) б) в)

Рис.1.2. Сигналы: непрерывный (а), дискретный во времени (б) и

квантованный по уровню (в).

Любое сообщение может передаваться по линиям связи с помощью сигналов, и, поэтому, оно является объектом транспортировки. Как объект транспортировки сообщение, как и сигнал, характеризуется тремя параметрами:

1. Длительность сообщения (сигнала): - определяется временем от начала сообщения до его конца и измеряется в с.

2. Ширина спектра данного сигнала: .

Для телефонного сигнала ширина спектра составляет =3400 300=3100 Гц, для телевизионного сигнала - = , так как необходимо передавать изображение, в телеграфии - , где -скорость телеграфирования в Бодах, которое определяется числом передаваемых символов N в : .