1.2. Обобщенная схема системы передачи информации.

Системой передачи информации (СПИ) называется совокупность технических средств, с помощью которых осуществляется передача сообщений от источника к получателю. В теории информации широко используется т.н. обобщенная модель СПИ, одно из представлений которой приведено на рис. 1.2.

Источник сообщений – некоторое устройство (или объект), в котором совершаются какие-либо интересующие получателя события. На выходе источника сведения о конкретном его состоянии появляются в виде сообщения. С точки зрения получателя информации любое сообщение представляется ценным только в том случае, если оно содержит элемент неожиданности, т. е. не является детерминированным событием. Поэтому источники сообщений можно рассматривать как некие генераторы случайных процессов. Математическая модель источника при этом сводится к описанию вероятностных свойств этих процессов. По типу генерируемых сообщений источники подразделяются на дискретные и непрерывные.

Дискретным называется источник, множество (ансамбль, алфавит) возможных сообщений (состояний) которого конечно или счетно: (счетному ансамблю отвечает мощность, стремящаяся к бесконечности). Каждое состояние характеризуется вероятностью

или где, причем

Для полного описания источника необходимо знание вероятностей не только отдельных (элементарных) сообщений в какой-то фиксированный момент времени, но и любых последовательностей сообщений в произвольные моменты времени. Таким образом, дискретный источник, выбирающий сообщения из множества X, задан исчерпывающим образом, если для любых и последовательности сообщений

определена вероятность удовлетворяющая условию согласованности

для любого . Отметим, что использованный выше надстрочный индекс (j) есть номер элемента в последовательности, т. е. аргумент дискретного времени.

В общем случае вероятность последовательности сообщений может меняться со временем . Однако для важного класса стационарных источников поведение во времени инвариантно, что можно формально выразить как

для произвольных и любых наборов . Приведенное равенство означает, что вероятность любой последовательности сообщений источника не зависит от того, когда эта последовательность появляется – сегодня, год назад или век спустя.

Важнейший класс источников образуют дискретные источники без памяти (ДИБП). Сообщения, последовательно выдаваемые ДИБП, являются независимыми и таким образом, для ДИБП справедливо равенство

.

В случае стационарных источников вероятность любого элементарного сообщения неизменна со временем: , так что

.

Непрерывные (по состоянию) источники сообщений имеют несчетный (континуальный) ансамбль состояний. Их математической моделью является непрерывный случайный процесс . Наиболее полное описание такого процесса даетсяn–мерной функцией распределения

или n–мерной плотностью распределения вероятности

.

Указанные многомерные функции определить достаточно сложно, а зачастую и невозможно. Поэтому в качестве моделей источника сообщений обычно используются случайные процессы, задаваемые одномерным или двумерным законом распределения, а во многих случаях – более простыми характеристиками – моментными функциями.

Реальные сообщения, как правило, являются нестационарными, однако чаще всего нестационарные модели допускают квазистационарную трактовку: на интервале времени небольшой длительности их можно считать практически стационарными. На практике в качестве модели источника стационарных непрерывных сообщений используют гауссовский случайный процесс. Гауссовская модель достаточно хорошо описывает речевые и телевизионные сообщения, а также некоторые типы телеметрических процессов.

Возможен и альтернативный подход, когда источник непрерывных сообщений с помощью операций дискретизации во времени и квантования по уровню приводится к своему дискретному аналогу.

Под физико-электрическим преобразователем понимается устройство, преобразующее сообщения источника в первичные электрические сигналыи выполняющее ряд операций, таких, как сжатие данных, кодирование и т. д.

Модулятор осуществляет преобразование первичного сигнала в радиосигнал, заключающееся в изменении одного или нескольких параметров радиосигнала в соответствии с изменением первичного с целью наилучшего согласования с характеристиками среды распространения.

Передатчик формирует радиосигнал в требуемом радиочастотном диапазоне, который после соответствующего усиления через излучающую систему поступает в среду распространения.

В РТСПИ средой распространения служит часть пространства, в котором распространяются электромагнитные волны от передатчика к приемнику. В реальных системах распространение сигнала сопровождается его изменением, обусловленное присутствием помех, под которыми понимаются любые случайные воздействия, накладывающиеся на сигнал и затрудняющие его прием. К их числу можно отнести поглощение и рассеяние энергии на трассе распространения, отражение от неоднородностей среды распространения, искажение сигнала за счет несовершенства приемо-передающей аппаратуры и многие другие факторы. Вследствие указанных причин переданный сигнал отличается от принятого, в том числе и по вектору параметров. Поскольку физические процессы, происходящие с излученным сигналом в процессе распространения, чрезвычайно сложны и не поддаются простому математическому описанию, то используются различные модели с разной степенью достоверности отражающие реальные процессы. Некоторые из них будут рассмотрены в следующем параграфе. Сейчас же лишь отметим, что в самом общем виде действие помехможно описать с помощью некоторого операторатакого, что принятый сигнал может быть представлен в виде

.

В частном случае, когда

,

где не зависит от, помеха называетсяаддитивной. Если же принятый сигнал представим в виде

,

где некоторая случайная функция, то помеха называетсямультипликативной. В реальных линиях связи действуют как аддитивная, так и мультипликативные помехи, так что

.

В зависимости от характера изменения во времени различают флюктуационные, импульсные (или сосредоточенные во времени) и узкополосные (сосредоточенные по частоте) помехи. Флюктуационная помеха порождается различного рода случайными отклонениями тех или иных физических величин от их средних значений. Обычно данная помеха представляет собой гауссовский стационарный случайный процесс с нулевым средним. Импульсная помеха представляет собой случайную последовательность импульсов, следующих столь редко, что реакция приемника на текущий импульс успевает затухнуть к моменту появления следующего. Узкополосная помеха – это такая помеха, спектральная плотность мощности которой занимает сравнительно узкий по отношению к полосе сигнала диапазон частот.

На приемной стороне СПИ приемник осуществляет первичную обработку сигналов, состоящую в их селекции и усилении.

Демодулятор и электрофизический преобразователь осуществляют операции, обратные по отношению к модуляции и физико-электрическому преобразованию, в результате которых принимаемым радиосигналам сопоставляются некоторые сообщения , поступающие получателю.

Приведенная структура дает общее описание любой системы передачи сообщений, не обязательно даже системы электро– или радиосвязи: достаточно лишь заменить слова, связанные с электрическими колебаниями или электромагнитными полями, на те, которые отражают физическую природу переносчиков сообщений в системе.

Если рассмотреть некоторый конкретный тип СПИ, например, цифровую систему передачу данных, то ее структурная схема будет содержать ряд специфических блоков (см. рис. 1.3). Так на передающей стороне появляются дополнительные блоки: кодер источника, шифратор и кодер канала. В узком смысле под операцией кодирования понимается преобразование дискретного сообщения в последовательность кодовых символов, осуществляемое по определенному правилу. Множество всех кодовых последовательностей (иначе кодовых комбинаций или слов), возможных при данном правиле кодирования образуют код. Совокупность символов, из которых составляются кодовые слова, называют алфавитом кода, а их число (объем кодового алфавита) – основанием кода. Число символов в кодовых комбинациях может быть одинаковым или разным. Соответственно различают равномерные и неравномерные коды. Число символов в кодовой комбинации равномерного кода называют длиной кода.

Процедура кодирования призвана решать одну из двух следующих задач. Первая заключается в избавлении от избыточности, содержащейся в сообщении, т.е. представлении одного сообщения в среднем минимальным количеством кодовых символов. Данная процедура получила название статистического кодирования, или кодирования источника. Второй задачей, решаемой кодированием, является повышение помехоустойчивости передачи сообщений, которая достигается за счет введения специальным образом избыточных символов, позволяющих обнаруживать и исправлять возникающие при передаче ошибки. В этом случае говорят о помехоустойчивом кодировании или кодировании для канала. В соответствии с задачами кодирования различают кодирующее устройство (кодер) для источника и для канала. Таким образом, кодер источника предназначен для осуществления статистического кодирования источника, т.е. более компактного (экономного) представления данных источника. Шифратор осуществляет специальное кодирование передаваемой информации, направленное на ее защиту от несанкционированного доступа и использования. Кодер канала производит операцию помехоустойчивого кодирования, целью которой является повышение помехоустойчивости передачи информации по каналу с шумами. На приемной стороне каждому из перечисленных блоков сопоставляется устройство, выполняющее обратную операцию: кодированию отвечает декодирование, а шифрованию – дешифрование. Поскольку СПИ содержит как прямой канал, так и обратный, то блоки, выполняющие прямую и обратную операции, объединяют под одним названием: кодер-декодер называют кодеком, а модулятор-демодулятор – модемом.

Рис. 1.3.