Теория Информации / 02 Системы связи и их основные характеристики

1

2. СИСТЕМЫ СВЯЗИ И ИХ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

2.1. Основные понятия и определения

Объектом передачи в любой системе связи является сообщение, несущее какую-либо информацию.

В системах передачи сообщений смысловое содержание понятий информации и сообщения являются весьма близкими.

В общем случае под информацией понимают совокупность сведений о каких-либо событиях, явлениях или предметах. Для передачи или хранения информации используются различные знаки (символы), позволяющие выразить (представить) информацию в некоторой форме. Это могут быть буквы, цифры, жесты и рисунки, математические или музыкальные символы, слова и фразы человеческой речи, различные реализации форм электрических колебаний и т.д.

Под сообщением понимается форма представления информации. Иначе говоря, сообщение – это то, что подлежит передаче. Множество возможных сообщений с их вероятностными характеристиками называется ансамблем сообщений. Выбор сообщений из ансамбля осуществляет источник сообщений. Процесс выбора является случайным; заранее не известно, какое сообщение будет передаваться. Различают дискретные и непрерывные сообщения.

Дискретные сообщения формируются в результате последовательной выдачи источником отдельных элементов – знаков. Множество различных знаков называют алфавитом источника сообщений, а число знаков – объемом алфавита. В частности, знаками могут быть буквы естественного или искусственного языка, удовлетворяющие определенным правилам взаимосвязи.

Сообщения, предназначенные для обработки в компьютерных информационных системах, принято называть данными.

Сообщение представляет собой последовательность состояний источника информации, разворачиваемую во времени. В зависимости от того, является ли множество состояний источника информации счетным, конечным (с мощностью алфавита М) или принимающим свои состояния из некоторого континуума возможных значений, источники делят на

дискретные и непрерывные (аналоговые). Под дискретным источником информации понимают некоторый объект, который в определенные моменты времени принимает одно из М состояний дискретного множества. Непрерывный источник в каждый момент времени может принимать одно из бесконечного множества своих состояний. Соответствующим образом вводится понятие источника сообщений, при этом все возможные источники можно разделить на дискретные и непрерывные.

Для передачи сообщения на расстояние необходимо наличие какого-то переносчика, материального носителя. В качестве таковых используются статические либо динамические средства, физические процессы. Физический

2

процесс, используемый в качестве переносчика сообщения и отображающий передаваемое сообщение, называется сигналом.

Отображение сообщения обеспечивается изменением какой-либо физической величины, характеризующей процесс. Эта величина является

информационным параметром сигнала.

Сигналы, как и сообщения, могут быть непрерывными и дискретными. Информационный параметр непрерывного сигнала с течением времени может принимать любые мгновенные значения в определенных пределах. Непрерывный сигнал часто называют аналоговым. Дискретный сигнал характеризуется конечным числом значений информационного параметра. Часто этот параметр принимает всего два значения.

В системах электросвязи в качестве переносчика, используемого для передачи сообщений на расстояние, применяют электрические сигналы, поскольку они имеют наибольшую скорость распространения (приближающуюся к скорости света в вакууме – 3 108 м/с).

В качестве сигнала можно использовать любой физический процесс, изменяющийся в соответствии с передаваемым сообщением. Существенно то, что сигналом является не сам физический процесс, а изменение отдельных параметров этого процесса. Указанные изменения определяются тем сообщением, которое несет данный сигнал.

Во многих случаях сигнал отображает временные процессы, происходящие в некоторой системе. Поэтому описанием конкретного сигнала может быть некоторая функция времени. Определив так или иначе эту функцию, мы определяем и сигнал. Однако такое полное описание сигнала требуется не всегда. Для решения ряда задач достаточно более общего описания в виде нескольких обобщенных параметров, характеризующих основные свойства сигнала, подобно тому, как это делается в системах транспортирования.

Техника передачи информации есть, по существу, техника транспортирования (передачи) сигналов по каналам связи. Поэтому целесообразно определить параметры сигнала, которые являются основными с точки зрения его передачи. Такими параметрами являются длительность сигнала, динамический диапазон и ширина спектра.

Всякий сигнал, рассматриваемый как временной процесс, имеет начало и конец. Поэтому длительность сигнала Т является естественным его параметром, определяющим интервал времени, в пределах которого сигнал существует.

Характеристиками сигнала внутри интервала его существования являются динамический диапазон и скорость изменения сигнала.

Динамический диапазон определяется как отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к наименьшей:

Ä =10 lg Pc max , (дБ).

Pcmin

Динамический диапазон речи диктора равен 25 ÷ 30 дБ, вокального

3

ансамбля – 45 ÷ 55 дБ, симфонического оркестра – 65 ÷ 75 дБ.

Вреальных условиях всегда имеют место помехи. Для удовлетворительной передачи требуется, чтобы наименьшая мощность сигнала превышала мощность помех. Отношение сигнала к помехе характеризует относительный уровень сигнала. Обычно определяется логарифм этого отношения, который называется превышением сигнала над помехой. Это превышение и принимается в качестве второго параметра сигнала. Третьим параметром является ширина спектра сигнала F. Эта величина дает представление о скорости изменения сигнала внутри интервала его существования. Спектр сигнала может простираться в пределах очень большой полосы частот. Однако для большинства сигналов можно указать полосу частот, в пределах которой сосредоточена его основная энергия. Этой полосой и определяется ширина спектра сигнала.

Втехнике связи спектр сигнала часто сознательно ограничивается. Это обусловлено тем, что аппаратура и линия связи имеют ограниченную полосу пропускаемых частот. Ограничение спектра осуществляется, исходя из допустимых искажений сигнала. Например, при телефонной связи требуется выполнить два условия: чтобы речь была разборчива и корреспонденты могли узнать друг друга по голосу. Для выполнения этих условий спектр речевого сигнала можно ограничить полосой от 300 до 3400 Гц. Передача более широкого спектра речи в этом случае нецелесообразна, так как это ведет к техническим усложнениям и увеличению затрат.

Более общей физической характеристикой сигнала является объем сигнала:

Vc = Tc Дc Fc

(1.1)

Для неискаженной передачи сигнала емкость канала должна быть не меньше объема сигнала.

Важной характеристикой сигналов является также база:

ν = 2 Tc Fc.

(1.2)

Если ν ≤ 1, то сигналы называют узкополосными (простыми). Если ν >> 1, то – широкополосными (сложными).

В естественных природных условиях сигналы, создаваемые и принимаемые живыми существами, распространяются в среде их обитания. Эту среду можно назвать каналом передачи сообщений. Отметим сразу, что даже

втакой простейшей системе передачи типичным является наличие в канале помех, т.е. сигналов, создаваемых посторонними источниками. С возникновением потребности в быстрой передаче сообщений на большие расстояния у человека появилась необходимость в применении различных приспособлений («технических средств»). В современных системах передачи

вкачестве физических носителей информации используют электрические токи или напряжения, а также электромагнитные колебания.

При передаче сообщений возникает необходимость использования таких технических средств, как датчиков — преобразователей различных

4

физических процессов в низкочастотные электрические токи, называемых первичными сигналами (например, микрофон, видикон); устройств кодирования дискретных сообщений, используемых как в целях согласования мощности алфавита источника М и числа используемых в канале передачи кодовых символов, так и в целях обеспечения высокой надежности передачи; устройств модуляции высокочастотных переносчиков сигналов первичными сигналами [2]. Поскольку получатель воспринимает сообщение, как правило, в той форме, которая представляется на выходе исходного источника, в системе передачи оказываются необходимыми такие технические средства, как демодулятор, декодер, которые осуществляют обратное преобразование высокочастотных сигналов в аналоги первичных, низкочастотных сигналов в аналоги исходных сообщений (например, с помощью динамика, кинескопа и т.д.).

2.2. Системы связи

Совокупность технических средств (аппаратно-программных) и среды распространения, требуемых для передачи сообщения от источника к получателю, называют системой связи. В функциональных схемах и их реализациях такие узлы, как кодер и модулятор, объединяют в передающем устройстве; аналогично демодулятор и декодер объединяются в едином устройстве — приемнике. Типичная функциональная схема, включающая основные узлы системы связи, представлена на рис. 1.2. Указанная здесь линия связи, во многих случаях отождествляемая с каналом передачи, предназначена для передачи сигналов с минимально возможной потерей их интенсивности от передатчика к приемнику. В системах электрической связи, линия связи, в частности, это пара проводов, кабель или волновод, в системах радиосвязи – область пространства, в которой распространяются электромагнитные волны от передатчика к приемнику.

В линии связи локализована неизбежно присутствующая в системе связи помеха w(t), приводящая к случайному непредсказуемому искажению формы передаваемого сигнала.

Рис. 2.1. Обобщенная структурная схема системы электросвязи

Приемник обрабатывает принятый сигнал x(t), искаженный помехой, и восстанавливает по нему переданное сообщение u(t). Обычно в приемнике выполняются операции, обратные тем, которые были осуществлены в передатчике.

5

Каналом связи принято называть совокупность технических средств, служащих для передачи сообщения от источника к потребителю. Этими средствами являются передатчик, линия связи и приемник.

Канал связи вместе с источником и потребителем образуют систему передачи и обработки информации. Различают системы передачи дискретных сообщений (например, система телеграфной связи) и системы передачи непрерывных сообщений (системы радиовещания, телевидения, телефонии и т.п.). Существуют также системы связи смешанного типа, в которых непрерывные сообщения передаются дискретными сигналами. К таким системам относятся, например, системы импульсно-кодовой модуляции.

При передаче сообщений в одну сторону от отправителя к получателю, или от «точки к точке» используется двухточечный односторонний канал связи. Если источник и получатель поочередно меняются местами, то для обмена сигналами необходимо использовать поочередный двухсторонний канал связи, допускающий передачу как в одну, так и в противоположную сторону (полудуплексный режим). Бо′льшие возможности для обмена предоставляет одновременный двусторонний канал связи, обеспечивающий одновременную передачу сигналов в противоположных направлениях (дуплексный режим).

Система связи называется многоканальной, если она обеспечивает взаимонезависимую передачу нескольких сообщений по одному общему каналу связи.

При необходимости обмена сообщениями между многими отправителями и получателями, называемых в этом случае пользователями или абонентами, требуется создание систем передачи сообщений (СПС) с большим числом каналов связи. Это приводит к концепции системы передачи и распределения сообщений (СПРС), т.е. системы связи в широком смысле. Такую систему обычно называют сетью связи (электросвязи), сетью передачи информации или сетью передачи сообщений. Примером СПРС является полносвязная сеть (рис. 1.1), где оконечные пункты (ОП) подключены друг к другу по принципу «каждый с каждым».

Рис.2.2. Полносвязная сеть передачи информации

6

Данная сеть является некоммутируемой, и связь между абонентами осуществляется по постоянно закрепленным (некоммутируемым) каналам. Распределение информации в таких сетях обеспечивается специальными методами доступа или процедурами управления передачей информации, служащими для уведомления о том, какие абоненты будут осуществлять обмен сообщениями. При увеличении числа абонентов в многоточечной сети значительно возрастают задержки в передаче информации, а в полносвязных сетях существенно увеличивается число линий связи и объем аппаратуры. Разрешение этих проблем связано с использованием коммутируемых сетей СПРС, где абоненты связываются между собой не непосредственно, а через один или несколько узлов коммутации (УК).

Таким образом, коммутируемая СПРС представляет собой совокупность ОП, узлов коммутации и соединяющих их линий связи.

Основная задача современных СПРС – обеспечение широкого круга пользователей (людей или организаций) разнообразными информационными услугами, в число которых входит в первую очередь эффективная доставка сообщений из одного пункта в другой, удовлетворяющая требованиям по скорости, верности, времени задержки, надежности и стоимости.

Статистические характеристики потока вызовов изучаются методами теории массового обслуживания, в частности теории телетрафика. Эта теория позволяет установить требования к устройствам коммутации и числу линий, при которых гарантируется удовлетворительное качество связи при заданном проценте отказов или времени ожидания.

Так, например, нагрузка телефонной сети зависит от количества, времени возникновения и продолжительности телефонных разговоров.

Под интенсивностью нагрузки понимается математическое ожидание поступающей нагрузки, отнесенное к единице времени (в телефонии – 1 час).

За единицу измерения интенсивности нагрузки принимается Эрланг (1часозанятие). В течение суток нагрузка изменяется, час наибольшей нагрузки называют ЧНН. Каждый абонент в среднем дает нагрузку в интервале 0,06 ...

0,15 Эрл. По этим значениям рассчитывается телефонная сеть и ее коммутационные системы.

Источником информации в системе связи (см. рис. 2.1) является отправитель сообщения, а потребителем — ее получатель. В одних системах передачи информации источником и потребителем информации может быть человек, а в других — различного рода автоматические устройства, компьютеры и т.д.

Преобразование сообщения в сигнал включает три операции:

–преобразование из неэлектрической формы в электрическую;

–первичное кодирование;

–преобразование с целью согласования характеристик сигнала с характеристиками канала связи.

Эти три операции могут быть независимыми либо совмещенными.

На первом этапе сообщение с помощью датчиков преобразуется в электрическую величину – первичный сигнал.

7

Основными первичными сигналами электросвязи являются: телефонный (речевой), звукового вещания, факсимильный, телевизионный, телеграфный, передачи данных (например, ввод текста с клавиатуры).

Для того, чтобы принятое сообщение наиболее точно соответствовало переданному, целесообразно осуществлять передачу сигналов в дискретной форме. Аналоговые сигналы преобразуются в дискретные в процессе квантования, при котором непрерывная область значений сигнала подразделяется на дискретные области так, что все значения сигнала, попадающие в одну из этих областей, заменяются одним дискретным значением. Квантование при этом проходит не только по какому-то параметру сигнала, например, по амплитуде, но еще и по времени.

Второй этап преобразования сообщения в сигнал – кодирование – заключается в преобразовании букв, чисел, знаков в определенные сочетания элементарных дискретных символов, называемых кодовыми комбинациями или словами. Правило этого преобразования называется кодом. Целью кодирования, как правило, является согласование источника сообщений с каналами связи, обеспечивающее либо максимально возможную скорость передачи информации, либо заданную помехоустойчивость. Согласование осуществляется с учетом статистических свойств источника сообщений и характера воздействия помех.

На третьем этапе осуществляется преобразование первичных сигналов u(t) в сигналы, удобные для передачи по линии связи (по форме, мощности, частоте и т. д. Эти операции выполняются в передатчике. 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).

Система передачи информации называется многоканальной, если она обеспечивает взаимонезависимую передачу нескольких сообщений по одному общему каналу связи.

Канал связи можно охарактеризовать так же, как и сигнал, тремя параметрами: временем, в течение которого по каналу ведется передача, динамическим диапазоном и полосой пропускания канала. Для неискаженной передачи сигналов емкость канала Vk должна быть не меньше объема сигнала.

Общими признаками различных каналов являются следующие. Вопервых, большинство каналов можно считать линейными. В таких каналах выходной сигнал представляет собой просто сумму входных сигналов (принцип суперпозиции). Во-вторых, на выходе канала, даже при отсутствии полезного сигнала, всегда имеются помехи. В-третьих, сигнал при передаче по каналу претерпевает задержку по времени и затухание по уровню. И, наконец, в реальных каналах всегда имеют место искажения сигнала, обусловленные несовершенством канала.

8

Сигнал на выходе канала можно записать в следующем виде:

x(t) = µs(t − τ) + w(t),

где s(t) – сигнал на входе канала; w(t) – помеха; µ и τ – величины, характеризующие затухание и время задержки сигнала.

2.3. Основные показатели качества функционирования системы связи

Исходя из назначения любой системы электросвязи – передача информации от источника к потребителю – можно оценить работу системы по двум показателям: качеству и количеству переданной информации. Эти показатели неразрывно связаны между собой.

Качество передаваемой информации принято оценивать достоверностью (верностью) передачи сообщений. Количественно достоверность характеризуется степенью соответствия принятого сообщения переданному. Снижение достоверности в канале связи происходит из-за действия помех и искажений. Но так как искажение в канале в принципе можно скомпенсировать и в правильно спроектированных каналах они достаточно малы, то главной причиной уменьшения достоверности являются помехи. Таким образом, верность передачи сообщений самым тесным образом связана с помехоустойчивостью системы, т.е. ее способностью противостоять мешающему воздействию посторонних сигналов. Система является тем более помехоустойчивой, чем более высокую верность передачи она обеспечивает при заданных характеристиках мешающих воздействий и определенной мощности передаваемых сигналов, отображающих состояние источника. Количественную меру достоверности выбирают по-разному в зависимости от характера сообщения.

Если сообщение представляет собой дискретную последовательность элементов из некоторого конечного множества, влияние помехи проявляется в том, что вместо фактически переданного элемента может быть принят какой-либо другой. Такое событие называется ошибкой. В качестве количественной меры достоверности можно принять вероятность ошибки p или любую возрастающую функцию этой вероятности.

Косвенной мерой качества может служить оценка степени искажения формы принимаемых стандартных сигналов (краевые искажения, дробления, флуктуации фронтов и т. д.). Эти искажения также нормируются для дискретных каналов. Имеются простые соотношения для пересчета искажений формы сигнала в вероятность ошибки.

При передаче непрерывных сообщений степенью соответствия принятого сообщения v(t) переданному u(t) может служить некоторая величина ε, представляющая собой отклонение v от u. Часто принимается критерий квадратичного отклонения, выражающийся соотношением:

ε2 = 1 T∫[v(t)− u(t)]2dt. T 0

9

Среднеквадратическое отклонение ε2 учитывает влияние на принятое сообщение ν(t) как помех, так и всевозможных искажений (линейных, нелинейных).

Достоверность передачи зависит от отношения мощностей сигнал/помеха. Чем больше это отношение, тем меньше вероятность ошибки (больше достоверность).

При данной интенсивности помехи вероятность ошибки тем меньше, чем сильнее различаются между собой сигналы, соответствующие разным элементам сообщения. Задача состоит в том, чтобы выбрать для передачи сигналы с большим различием.

Достоверность зависит и от способа приема. Нужно выбрать такой способ приема, который наилучшим образом реализует различие между сигналами при данном отношении сигнала к помехе. Правильно сконструированный приемник может увеличить отношение сигнала к помехе и притом весьма значительно.

Косвенная оценка качества передачи непрерывных сообщений приводится по характеристикам каналов (частотным, амплитудным, фазовым, уровню помех и т.д.), по некоторым параметрам сигналов и помех (коэффициент искажений, отношение сигнал – помеха и т. д.), по субъективному восприятию сообщений. Качество телефонной связи, например, можно оценивать по разборчивости речи.

Есть существенное различие между системами передачи дискретных и непрерывных сообщений. В аналоговых системах всякое, даже сколь угодно малое мешающее воздействие на сигнал, вызывающее искажение модулируемого параметра, всегда влечет за собой внесение соответствующей ошибки в сообщение. В системах передачи дискретных сообщений ошибка возникает только тогда, когда сигнал воспроизводится (опознается) неправильно, а это происходит лишь при сравнительно больших искажениях.

В теории помехоустойчивости, разработанной В.А. Котельниковым, показывается, что при заданном методе кодирования и модуляции существует предельная (потенциальная) помехоустойчивость, которая в реальном приемнике может быть достигнута, но не может быть превзойдена. Приемное устройство, реализующее потенциальную помехоустойчивость, называется оптимальным приемником.

Наряду с достоверностью (помехоустойчивостью) важнейшим показателем работы системы связи является скорость передачи. В системах передачи дискретных сообщений скорость измеряется числом передаваемых двоичных символов в секунду R. Для одного канала скорость передачи определяется соотношением

R = 1 log2m,

T

где Т – длительность элементарной посылки сигнала; m – основание кода. При m = 2 имеем R = 1/T = v, Бод.

10

Максимально возможную скорость передачи Rмакс принято называть

пропускной способностью системы. Пропускную способность системы передачи аналоговых сообщений оценивают количеством одновременно передаваемых телефонных разговоров, радиовещательных или телевизионных программ и т.п.

Пропускную способность системы Rмакс не следует путать с

пропускной способностью канала связи C (см. гл. 4). Пропускная способность системы связи – понятие техническое, характеризующее используемое оборудование, тогда как пропускная способность канала определяет потенциальные возможности канала по передаче информации. В реальных системах скорость передачи R всегда меньше пропускной способности канала С. В теории информации доказывается, что при R ≤ C можно найти такие способы передачи и соответствующие им способы приема, при которых достоверность передачи может быть сделана сколь угодно большой.

Из рассмотренного следует, что количество и качество передаваемой информации в канале связи в основном определяется помехами в канале. Поэтому при проектировании и эксплуатации систем связи необходимо добиваться не только малых искажений принятого первичного сигнала, но и заданного превышения сигнала над помехами. Обычно нормируется отношение сигнал – помеха для принимаемых первичных сигналов.

Важной характеристикой системы связи является задержка. Под задержкой понимается максимальное время, прошедшее между моментом подачи сообщения от источника на вход передающего устройства и моментом выдачи восстановленного сообщения приемным устройством. Задержка зависит, во-первых, от характера и протяженности канала, вовторых, от длительности обработки в передающем и приемном устройствах.

Контрольные вопросы

1.Что понимают под сообщением и сигналом?

2.Нарисуйте функциональную схему системы передачи информации.

3.Что называется каналом связи? Какие типы каналов Вы знаете?

4.Как происходит преобразование непрерывного сообщения в сигнал?

5.Что такое достоверность передачи и как она определяется количественно?

6.Дайте определение основным характеристикам сигнала?

7.Что такое модуляция?

8.Каким образом восстанавливается переданное сообщение в приемнике?

9.Какими параметрами определяется качество передачи информации и количество переданной информации?

10.Что понимают под пропускной способностью системы связи?