Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Методы и средства передачи информации (Лекция №1)

.pdf
Скачиваний:
53
Добавлен:
13.03.2016
Размер:
549.1 Кб
Скачать

Методы и средства передачи информации

Лекционный курс

Лекция №1

Содержание

1.Задачи курса, основные понятия и термины, смежные дисциплины.

2.Виды информационных сигналов.

3.Классификация методов и средств передачи информации (передатчики (модуляторы, усилители), линии передачи, приемники (демодуляторы, усилители)).

1.Задачи курса, основные понятия и термины,

смежные дисциплины

Изучаемая дисциплина − методы и технические средства передачи информации − относится к разделу науки и техники, который в настоящее время бурно развивается, обеспечивая расширяющиеся технические потребности и предоставляя все новые потребительские возможности информационных услуг различным пользователям. Развитие этой области технических средств сейчас, можно сказать, имеет взрывной характер.

В основе этой области науки и техники большое число различных дисциплин, начиная от общеобразовательных − математики, физики, электротехники, основ радиотехники и теории поля, и заканчивая такими специальными дисциплинами, как теория обработки сигналов, включая раздел теории цифровой обработки сигналов, электродинамику и распространение радиоволн в различных волноведущих (или иначе − направляющих, или же, говорят, канализирующих, т.е. образующих канал передачи электромагнитной или звуковой волны) структурах и радиоканалах свободного пространства, радиопередающие и радиоприемные устройства различных видов и т.п. Понимание этих разделов науки и техники на уровне компетенции разработчиков, т.е. на уровне профессионалов − создателей аппаратуры, основанной на применении различных методов обработки сигналов и тех или иных способов их передачи и приёма, требует глубоких знаний и умений в каждой из указанных областей и разделов. Такой опыт инженер разработчик накапливает в процессе

длительного периода практической деятельности, последовательно специализируясь

втех или иных разделах науки и техники. В целом, разработки технических средств

результат деятельности целых научно-технических коллективов (или же научных школ), которые формируются не одно десятилетие. Наша задача заключается в формировании у слушателя общего представления о процессах, лежащих в основе тех или иных технических средств, применяемых для целей обработки и передачи тех или иных видов информационных сигналов. При этом мы не ставим перед собой задачу формирования компетенций разработчиков и даже профессиональных «эксплуатационщиков» аппаратной части устройств передачи информации. Тем не менее, полученные знания позволят осмысленно ориентироваться в многообразии разделов науки и техники, лежащих в основе устройств формирования и передачи информации. Это может служить основой дальнейшей специализации.

Внашем курсе основное внимание уделяется рассмотрению проблем, касающихся особенностей, присущих аппаратной части различных средств передачи информации, включая вопросы электромагнитной совместимости (помехозащищенности) аппаратных средств. Вопросы современных методов цифровой обработки сигналов (в том числе и относящиеся к проблемам помехозащищенности и устойчивости к несанкционированному антропогенному (т.е. человеческому, но с применением технических средств) воздействию и проникновению в системы информации) рассматриваются достаточно поверхностно, предполагая наличие специальных курсов, ориентированных на эти разделы науки и техники.

Рассмотрение начнем с указания на ряд дефиниций (определений в виде названий).

Информация (от лат. informatio, разъяснение, изложение, осведомленность) — сведения о чем-либо, независимо от формы их представления.

Всовременной науке рассматриваются два вида информации:

Объективная (первичная) информация — свойство материальных объектов и явлений (процессов) порождать многообразие состояний, которые посредством взаимодействий (фундаментальные взаимодействия) передаются другим объектам и запечатлеваются в их структуре.

2

Субъективная (семантическая, смысловая, вторичная) информация – смы-

словое содержание объективной информации об объектах и процессах материального мира, сформированное сознанием человека с помощью смысловых образов (слов, моделей и ощущений) и зафиксированное на каком-либо материальном носителе (это может быть любой из известных видов накопителей информации, например, книга, магнитная лента, жесткий диск и пр.).

Вбытовом смысле информация — сведения об окружающем мире и протекающих в нем процессах, воспринимаемые человеком или специальным устройством.

Внастоящее время не существует единого определения информации как научного термина. С точки зрения различных областей знания, данное понятие описывается своим специфическим набором признаков. Согласно концепции К. Шеннона

(Клод Элвуд́ Ше́ннон (англ. Claude Elwood Shannon; 30.04.1916, — 24.02.2001) —

американский инженер и математик, его работы являются синтезом математических идей с конкретным анализом чрезвычайно сложных проблем их технической реализации, основатель науки «кибернетика»), информация — это снятая неопределенность, т.е. сведения, которые должны снять в той или иной степени существующую у потребителя до их получения неопределенность (в понимании чеголибо), расширить его понимание (свойств или существа объекта) полезными сведениями.

Сточки зрения науки об информации − информатики, информация обладает рядом фундаментальных свойств: новизна, актуальность, достоверность, объективность, полнота, ценность и др.

Передача информации − относится к передаче информации о тех или иных моделях, сформированных в сознании человека, т.е. о субъективной информации, выраженной в виде тех или иных символов.

Передачей семантической информации называется процесс её пространственного переноса от источника к получателю (рецептору, адресату, приемнику). Передавать и получать информацию человек научился даже раньше, чем хранить её. Различные звуки (например, барабанный бой, колокольный звон и пр.) для простых

3

сообщений на удаленном расстоянии или же речь, которую использовали наши далекие предки в непосредственном контакте (разговоре), является способом передачи, которым мы пользуемся и сейчас. Для передачи больших потоков информации на большие расстояния необходимо использовать значительно более сложные технические средства − устройства.

Для осуществления такого процесса, информация должна быть некоторым (специфическим) образом оформлена (представлена). Для представления информации используются различные знаковые системы — наборы заранее оговоренных смысловых символов: предметов, картинок, написанных или напечатанных слов естественного языка. Представленная с их помощью семантическая информация о каком-либо объекте, явлении или процессе называется сообщением.

Очевидно, что для передачи сообщения на расстояние информация должна быть перенесена на какой-либо мобильный носитель. Носители могут перемещаться в пространстве с помощью транспортных средств, как это происходит с письмами, посылаемыми по почте. Такой способ обеспечивает полную достоверность передачи информации, поскольку адресат получает оригинал сообщения, однако требует значительного времени для передачи. С середины XIX века получили распространение способы передачи информации, использующие естественно распространяющийся носитель информации — электромагнитные колебания (электрические колебания, радиоволны, свет). Реализация этих способов требует:

1)предварительного переноса информации, содержащейся в сообщении, на носитель — кодирования;

2)обеспечения передачи полученного таким образом сигнала адресату по специальному каналу связи;

3)обратного преобразования кода сигнала в код сообщения — декодирования. Использование электромагнитных носителей делает доставку сообщения адре-

сату со скоростью распространения электромагнитной волны, т.е. практически со скоростью света, однако требует дополнительных мер по обеспечению качества (достоверности и точности) передаваемой информации, поскольку реальные каналы связи подвержены воздействию естественных и искусственных помех.

4

Устройства, реализующие процесс передачи данных, образуют системы связи. В зависимости от способа представления информации системы связи можно подразделять на знаковые (телеграф, телефакс), звуковые (телефон), видео и комбинированные системы (телевидение). В настоящее время наиболее развитой системой связи является Интернет.

2. Виды информационных сигналов

Сигнал (в теории информации и связи) — материальный носитель информации, используемый для передачи сообщений в системе связи. Сигнал может генерироваться, но его приём не обязателен.

Сообщение состоит из сигналов или их комбинации, но в отличие от иных сигналов сообщение предназначено для приема адресатом (принимающей стороной), иначе оно не является сообщением. Иными словами сообщением является значимый для адресата сигнал.

Сигналом может быть любой физический процесс, параметры которого изменяются в соответствии с передаваемым сообщением. Сигналы реализуют в виде детерминированных процессов, однако при этом для целей скрытной передачи сообщений детерминированные сигналы могут формировать и псевдо случайный процесс.

Сигнал, детерминированный или псевдо случайный, описывают математической моделью, функцией, характеризующей изменение параметров сигнала.

Математическая модель представления сигнала, как функции времени, является основополагающей концепцией теории информации. Математические модели представления сигналов применяются как для анализа, так и для синтеза информационных устройств и систем, которые в аппаратной части исторически принято называть радиотехническими системами. В радиотехнике альтернативой сигналу, который несёт полезную информацию, является шум — обычно случайная функция времени, взаимодействующая (например, путём наложения, или, говорят, сложения) с сигналом и искажающая его. Основной задачей теоретической радиотехники является извлечение полезной информации из сигнала с обязательным учётом (преодолением) шума.

5

Многообразие информационных сигналов условно классифицируется по ряду признаков.

По физической природе носителя информации сигналы подразделяют на:

электромагнитные;

оптические;

акустические.

По способу задания сигналы бывают:

регулярные (детерминированные), заданные аналитической функцией;

нерегулярные (случайные), принимающие произвольные значения в любой момент времени. Действительно (а не псевдо) случайные сигналы неудобны (если не с4азать непригодны) для формирования ёмких (т.е., несущих большой объем полезной информации в единицу времени) информационных сообщений. Для описания таких сигналов используется аппарат теории вероятностей.

Взависимости от функции, описывающей параметры сигнала, выделяют аналоговые, дискретные, квантованные и цифровые сигналы:

непрерывные (аналоговые), описываемые непрерывной функцией;

дискретные, описываемые функцией отсчётов (т.е. значением или вели-

чиной) сигнала, взятых в определённые моменты времени, в результате чего образуется множество пар: значений сигнала и соответствующих этим значениям моментов времен;

квантованные по уровню;

дискретные сигналы, квантованные по уровню (цифровые). Обратимся к рассмотрению различных видов временных функций.

Аналоговый сигнал

Большинство сигналов имеют аналоговую природу, то есть изменяются непре-

рывно во времени и могут принимать любые значения на некотором интервале (рис. 1.1).

6

nt
Рисунок 1.2 − Дискретное представление аналогового сигнала
t
f (nt) t
f (t)

f (t)

t

Рисунок 1.1 − Аналоговый сигнал

Аналоговые сигналы описываются некоторой математической функцией времени t. Простейший пример аналогового сигнала — гармонический сигнал — f (t) = A·sin(ω·t + φ), где А — амплитуда; (ω·t + φ) — фаза, т.е. «состояние» процесса или функции, которая в нашем случае синусоидальная; ω — круговая частота; φ — начальная фаза процесса.

Аналоговые сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении. Ввести такой сигнал в компьютер и обработать его невозможно, так как на любом интервале времени он имеет бесконечное множество значений, а для точного (без погрешности) представления его значения требуются числа бесконечной разрядности. Поэтому необходимо преобразовать аналоговый сигнал так, чтобы можно было представить его последовательностью чисел заданной разрядности. Этот вид преобразования сигнала называется дискретизацией, а образующийся вид сигнала

— дискретным.

Дискретный сигнал

Дискретизация аналогового сигнала состоит в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени (рис. 1.2). Эти значения функции называются отсчётами и на рис. 1.2 обозначены как f (nt). Интервал времени ∆t называется интервалом дискретизации.

7

Квантованный по уровню сигнал

В этом случае осуществляется «дискретизация» по мгновенным значениям сигнала. При квантовании вся область значений сигнала разбивается на уровни, количество которых должно быть представлено в числах заданной разрядности. Расстояния между этими уровнями называется шагом квантования ∆. Число этих уровней равно N (от 0 до N -1). Каждому уровню присваивается некоторое число. Отсчёты сигнала сравниваются с уровнями квантования и в качестве сигнала выбирается число, соответствующее некоторому уровню квантования (рис. 1.3). Каждый уровень квантования кодируется двоичным числом с n разрядами. Число уровней квантования N и число разрядов n двоичных чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением n ≥ log2(N).

f (t) N

t

0

Рисунок 1.3 − Квантование по уровню

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал образуется в результате представления временной функции в виде набора чисел. Для того чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел конечной разрядности, его следует сначала превратить в дискретный сигнал, а затем каждое дискретное значение

f (t)

подвергнуть квантованию. В результате сигнал

 

 

будет представлен таким образом, что на каж-

 

дом заданном промежутке времени известно

t

приближённое (квантованное) значение сигна-

Рисунок 1.4 − Вид цифрового

ла, которое можно записать целым числом (рис.

1.4). Если записать эти целые числа в двоичной

сигнала

8

системе, получится последовательность нулей и единиц, которая и будет являться цифровым сигналом.

Сигнал и событие

Событие (например, получение записки, наблюдение сигнальной ракеты, прием символа по телеграфу и т.п.) является сигналом только в той системе отношений, в которой сообщение (в виде этого сигнала) опознается значимым (например, в условиях боевых действий сигнальная ракета — событие, значимое только для того наблюдателя, которому оно адресовано). Очевидно, что сигнал, заданный аналитически, событием не является и не несет информацию, если функция сигнала и её параметры известны наблюдателю. Но при этом факт появления именно этой (а не другой) функции сигнала может служить сообщением, а значит являться событием.

Втехнике сигнал всегда является событием. Другими словами, событие — изменение состояния любого компонента технической системы, опознаваемое логикой системы как значимое, является сигналом. Событие, неопознаваемое данной системой логических или технических отношений как значимое, сигналом не является.

Представление сигнала и спектр сигнала

Есть два способа представления сигнала в зависимости от области определения: временной (или, говорят, во временной области) и частотный (в частотной области).

Впервом случае сигнал представляется функцией времени f (t) характеризующей изменение его параметра вдоль оси времени (см., например, рис. 1.1 − рис. 1.4). Во втором случае в виде спектральных составляющих преобразования Фурье.

Периодические функции времени преобразуются с помощью разложения в ряды Фурье. При этом несинусоидальная периодическая функция f(t) (это может быть напряжение, ток, напряженность поля) записывается в виде:

f (t ) =F0 +( An cos nω1t +Bn sin

nω1t )=F0 +Fn cos (nω1t n ),

n=1

n=1

T

где F0 = 1 f ( t ) dt , T 0

9

 

 

 

2

 

T

 

 

 

 

 

A n

=

 

 

f ( t ) cos ( n ω

1 t ) dt ,

T

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

T

 

 

 

 

 

B n

=

 

f ( t )sin( nω 1 t ) dt ,

 

 

 

T

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T период колебания,

ω 1 =

1

, n натуральные числа,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

Fn = An2 + B n2 = Fn ( nω 1 ),

ϕn

= −arctg

B n

n ( nω 1 ).

An

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь Fn(n ω1) – амплитудный спектр функции f (t) (линейчатый или дискретный);

ϕn ( nω1 ) – фазовый спектр (дискретный).

Такое представление функции времени обеспечивает алгоритм расчета реакции электрических или электронных схем на основе суперпозиции гармонических составляющих полигармонического воздействия. Дальнейшее упрощение основано на алгебраизации уравнений состояния – перехода в комплексную плоскость (векторов начальных фаз). Это соответствует переходу от рядов Фурье для мгновенных значений к комплексным рядам Фурье.

Логика введения понятия комплексных рядов Фурье заключается в следующем. Дополнив составляющие ряда Фурье Fncos (nω1t n ) слагаемыми

jFn sin (nω1t + ϕn ) и используя формулу

Эйлера, получаем возможность пред-

ставить на комплексной плоскости действительную функцию:

 

 

 

 

 

 

 

f ( t ) = C 0 + ( C n e

jϕ n e

jnω1 t + C n e jϕ n e jnω1 t ) ,

 

 

 

n =1

 

 

 

где

C n e jϕ n =

1

T f ( t )e jnω

1 t

dt .

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

Второе слагаемое Cnejϕn ejnω1t

в скобках под знаком суммы при условии

10