Роль информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Человечество с давних времён мечтало расширить свои возможности по передаче информации от одного человека другому на любые расстояния без потери качества. Естественные возможности передачи информации человеком ограничены по способам: передача речи, знаков (руками, пальцами и пр.), и по дальности: речь можно передать на небольшое расстояние, так как звук в воздухе быстро затухает и даже использование направленных средств увеличивает дальность передачи речи не более чем до нескольких сотен метров. Зрение человека позволяет различать знаки, которые показывает другой человек, также на незначительном расстоянии, ограничиваемом несколькими сотнями метров.

Возможности передачи информации с помощью речи сильно ограничены природой. В частности, скорость распространения звука в воздухе составляет 330 м/с, поэтому уже на расстоянии 1 км задержка передачи речи составит 3 с, на расстоянии 10 км - 30 с. Если представить, что с использованием такой системы связи ведут диалог два абонента, то они должны ждать ответа по полминуты. Для сравнения, скорость распространения электромагнитных волн составляет 300 000 км/с и задержка сигнала на расстоянии 10 км составляет около 33 мкс. Пропускная способность такого канала тоже не выдерживает критики, так как человек использует только небольшую часть звуковых частот: от 30 Гц до 10 кГц (органы речи формируют сигналы в этой полосе частот, а органы слуха могут воспринимать звуки только в этой полосе). Да и сама речь человека сильно избыточна, т. е. использует много лишних звуков, которые не несут никакой информации. информация электросвязь физический

Поэтому звуковые волны для передачи информации на большие расстояния не используются. Однако сегодня звуковые волны широко используются в системах обработки электрических сигналов (ультразвук в твёрдых телах в полосе частот до 2 ГГц). Возможна передача с помощью звука сообщений на короткие расстояния.

Из-за невозможности передачи информации на большие расстояния с помощью естественных средств человек стал искать способы расширения своих возможностей по передаче информации за счёт использования различных физических процессов и явлений.

Человек использует для передачи информации свет, звук, электричество, электромагнитные волны.

Наиболее впечатляющих результатов по передаче информации на большие расстояния человек добился при использовании электромагнитных колебаний различной природы (радиоволны и световые волны). Сегодня возможна передача голоса, изображений, различных данных на расстояния в тысячи километров с высокой скоростью, позволяющей не только решать задачу общения людей друг с другом, но и решать задачи управления сложными техническими и технологическими комплексами и системами, распределенными по всей поверхности нашей планеты и вне её пределов.

Основы современной теории электрической связи были заложены в фундаментальных работах В.А. Котельникова по теории потенциальной помехоустойчивости и К. Шеннона по теории информации. Отдельные вопросы теории связи рассматривались в более ранних работах X. Найквиста, в которых сформулирована и доказана теорема отсчётов, в работе Р. Хартли, где была введена логарифмическая мера количества информации. В создании и развитии статистической теории связи большую роль сыграли работы А.Я. Хинчина по корреляционной теории стационарных случайных процессов, А.Н. Колмогорова и Н. Винера по интерполированию и экстраполированию стационарных случайных последовательностей, А. Вальда по теории статистических решений.

Современная теория связи позволяет достаточно полно оценить различные системы по их помехоустойчивости и эффективности и тем самым определить, какие из них являются наиболее перспективными. Она достаточно чётко указывает не только возможности совершенствования существующих систем связи, но и пути создания новых, более совершенных систем.

В настоящее время речь идёт о создании систем, в которых достигаются показатели эффективности, близкие к предельным. Одновременное требование высоких скоростей и верности передачи приводит к необходимости применения систем, в которых используются многопозиционные сигналы и мощные корректирующие коды. Наиболее совершенная система связи должна быть саморегулирующей (адаптивной) системой.

Знания и умения по дисциплине являются базовой частью общепрофессиональной подготовки к самостоятельной инженерно-эксплуатационной деятельности.

1. Общие сведения о системах связи

1.1 Основные понятия и определения

Электросвязь - способ связи, при котором сообщения передаются при помощи электрических сигналов.

Радиосвязь- способ связи, при котором сообщения передаются при помощи радиосигналов.

В теории электрической связи изучается процесс передачи информации. Под информацией понимают совокупность сведений о состоянии той или иной системы, о каких-либо событиях, явлениях и т. д. Для передачи информации используется какой-либо язык.

Язык характеризуется совокупностью символов, знаков и правил. Совокупность физических элементов (знаков, символов) содержащих информацию называют сообщением. Сообщения передают:

с помощью физического носителя (письмо, диск, флеш-память и пр.); ??с помощью физических процессов (свет, звук, электрические сигналы, электромагнитные волны).

В ТЭС мы будем изучать процессы передачи информации с помощью электрических сигналов и электромагнитных волн.

Для передачи информации необходимо выполнить следующие действия:

1) преобразовать сообщение в электрический сигнал;

2) передать электрический сигнал по среде передачи;

3) преобразовать электрический сигнал в сообщение.

Под системами передачи информации (СПИ) будем понимать совокупность технических средств, предназначенных для передачи информации и характеризуемых определённым способом преобразований сообщения в электрический сигнал на передающей стороне и преобразованием электрического сигнала в сообщение на приёмной стороне.

Каналом связи называется совокупность технических средств, предназначенных для передачи электрического сигнала (отображающего сообщение).

1.2 Этапы развития систем электросвязи

Наиболее яркие моменты истории развития электросвязи можно проследить на системах подвижной радиосвязи. Практически у каждого человека сегодня есть персональный коммуникатор (сотовый телефон, смартфон, планшетный компьютер, компьютер со встроенным радиомодемом). Такая возможность имеется благодаря труду огромного количества учёных и инженеров, которые разработали и создали сети подвижной радиосвязи от нулевого поколения до четвёртого, и которые трудятся над созданием сетей пятого поколения (рис. 1.1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.1. Этапы развития сети подвижной радиосвязи

Системы спутниковой связи являются наиболее дорогими и сложными с точки зрения реализации, но позволяют решать задачи доставки сигналов сразу на огромные территории на поверхности Земли. Поэтому на их основе строят сети телевизионного и радиовещания и системы региональной и глобальной связи (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Схема построения сети телевизионного и радиовещания:

КА - космический аппарат; БКР - бортовой комплекс радиосвязи; КИС - командно-измерительная система; ОКИК - отдельный командно-измерительный комплекс; УС - узел связи; ЦУ - центр управления; ЦОТИ - центр обработки телеметрической информации

В рамках модели открытых информационных систем (рис. 1.3) мы будем заниматься физическим и канальным уровнями, отвечающих за формирование, обработку, прием сигналов и обмен сообщениями.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.3. Модель открытых информационных систем 

1.3 Принципы построения систем передачи информации

Системы электрической связи являются важнейшим классом систем передачи информации, в которых полезные сообщения передаются с помощью электрического сигнала.

Полезные сообщения S(t) такие, как, например, речь, данные, видеоизображения и пр. отображаются однозначным образом в множество электрических сигналов {uS(t)} на передающей стороне (при помощи акустоэлектрических и светоэлектрических преобразователей). На приёмной стороне множеству полученных электрических сигналов uS (t) сопоставляют возможные сообщения s*(t) и, тем самым, восстанавливают сообщение, передаваемое от одного абонента к другому.

Сложность передачи сообщений заключатся в том, что передаваемый uS(t) и принимаемый uS (t) электрические сигналы отличаются друг от друга из-за того, что кроме полезного сигнала в канале связи действуют мешающие колебания [шум n(t), помехи от других источников сигналов, от других технических средств, генерирующих электромагнитные колебания и пр.].

Поэтому в общем случае

uS (t) 0?uS(t),

что приводит к неоднозначности восстановления на приёмной стороне пере-данного сообщения.

Разница ,(t) = uS (t)- uS(t) представляет собой электрические колебания

совокупности шума n(t) и помех П(t):

,(t) = n(t) + П(t).

Простейшим примером системы передачи сообщений (информации) является акустическая система передачи речи от одного человека (абонента) к другому (абоненту). Система образована «передатчиком» (речевой тракт, включая гортань, голосовые связки, полости носа и рта, язык, губы и зубы), каналом передачи акустических волн и приёмником (слуховым аппаратом, включая ушные раковины, барабанные перепонки и часть мозга, выполняющую детектирование и обработку сигналов). Каждому сообщению соответствует свой акустический сигнал (слово, предложение и пр.). Слова формируются из алфавита, а сообщение - из слов (алфавита слов).

При передаче речи от одного абонента к другому в полнейшей тишине на небольшом расстоянии громкость речи (мощность генерируемых акустических волн) может быть минимальна, но при этом будет обеспечен правильный приём сообщений, так как нет шума и затухания волн,

т. е.uS (t) = uS(t),

поэтому канал является идеальным.

Если расстояние между собеседниками увеличивать, то постепенно громкость речи необходимо будет также увеличивать, а на расстояниях в несколько десятков метров придётся кричать для того, чтобы передать те же сообщения.

Если в тракте передачи присутствует шум, например, разговор других людей, шум двигателя, технических устройств (например, пылесоса, звонка и пр.), то даже при небольшом расстоянии требуется говорить громко. При этом чем громче шум, тем громче должен быть голос. Если стоять рядом с самолётом с работающими двигателями, то придётся кричать, чтобы хоть что-то разобрать.

Из приведённого примера можно сделать следующие важные выводы. 1. Для передачи сообщений служит алфавит (слова, буквы), ставящий в соответствие сообщению сигналы. Сигналов должно быть столько, чтобы возможной оказалась передача всех сообщений. Сигналы должны различаться.

2. При передаче сообщений важнейшей характеристикой является соотношение мощности полезного сигнала и мешающего шума.

Однако если сообщения передаются сигналами с малым отличием, то даже при небольшом шуме их различить будет сложно. Например, различить двух близнецов, если показывают фотографии одного, а затем второго человека, очень трудно, а двух разных людей, даже если фотографии искажены, значительно проще, и чем больше различие, тем проще различить (например, африканец и европеец).

Поэтому основной целью теории электрической связи (ТЭС) является нахождение такого множества сигналов {uS(t)}, чтобы передача сообщений происходила с минимальными искажениями и с минимумом затрат.

Обобщённая структурная схема системы передачи информации (СПИ) приведена на рис. 1.4.

В структуру СПИ входят источник сообщения (ИС), кодер источника (КИ), кодер канала (КК), модулятор (М), канал связи (КС), демодулятор (Дм), декодер канала (ДкК), декодер источника (ДкИ), получатель сообщения (ПС).

Рис. 1.4 Структурная схема системы передачи информации

Основной целью построения систем передачи информации является наиболее точное воспроизведение передаваемого сообщения S(t) на приёмной стороне S*(t). Погрешности воспроизведения присутствуют из-за искажений сигналов в элементах СПИ и действия помех. Влияние помех и искажений можно минимизировать выбором параметров сигналов и элементов СПИ (КИ, КК, М, Дм, ДкК, ДкИ).

Общую задачу, решаемую в ТЭС для СПИ, можно сформулировать следующим образом: найти такие операторы формирования (передачи) и обработки (приёма) сигналов, чтобы различие между передаваемым и принимаемым сигналами было минимальным:

(S* ??S)W(S*,S)dSdS* *?(S* ?S) *?min , (1.1) S,S*

где 0?- вектор параметров элементов СПИ и сигнала; S,S* - область существования S и S* в пространстве сигналов; W(S, S*) - функция распределения вероятностей сигналов S и S*.

Левая часть в формуле (1.1) является функцией параметров СПИ, т. е.

(S* ?S)2 *?f (0), (1.2)

поэтому для нахождения параметров, обеспечивающих минимальную погрешность воспроизведения, можно воспользоваться известными методами математического анализа. В частности, известно, что минимум функции достигается в точках, где f/0?*?0.Однако для нахождения функции f (0?требуется решение задачи преобразования исходного сообщения S(t) в принимаемое S*(t) и нахождение функции совместного распределения вероятностей

W(S, S*). (1.3)

Если представить получаемое сообщение как результат последовательного преобразования исходного сообщения в преобразователях соответствующих элементов СПИ, то решение задачи может быть представлено следующим образом

S* (t) *?LДкИ{L кК{L м{L С (n(t),L {LКК{LКИ (S)}})}}}, (1.4) 

т. е. необходимо найти преобразование процесса S(t) в преобразователях L и на основании этого определить характеристики выходного процесса S*(t).

В общем случае эта задача очень сложна. Поэтому решают последовательно ряд вспомогательных задач, в которых определяют преобразования соответствующих сигналов. Как правило, центральное место занимает задача передачи множества сигналов {uSi (t)} по каналу связи, преобразования сигналов в канале связи и приёма в приёмнике (демодуляторе). Остальные задачи нахождения преобразований в КИ, КК, ДкК и ДкИ используют полученные результаты в качестве исходных данных.

Размещено на Allbest.ru