Прикладная теория информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

66

1.Основы теории информации

1.1 Основные понятия

Понятие информация является центральным понятием в теории информации и кибернетики. Имеется множество определений понятия информации от наиболее общего философского (информация есть отражение реального мира) до наиболее узкого практического (информация есть все сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования).

Некоторыми зарубежными авторами информация трактуется с идеалистических позиций в отрыве от материи как некоторая субстанция, занимающая промежуточное положение между материей и сознанием.

Весьма распространенным является также мнение о том, что информация присуща лишь определенным образом организованной материи, в которой возможны процессы управления. Сторонники этой точки зрения под информацией подразумевают только то, что воспринято и осмыслено, т. е. то, что целесообразно использовать для управления. Нетрудно заметить, что вопрос о существовании информации здесь неправомерно отождествляется с вопросом о способности объекта к восприятию и использованию информации. При таком подходе легко сойти на позиции субъективизма, ставящего объективно существующее в зависимость от воспринимающего субъекта.

При контроле и управлении параметрами технологических процессов на производстве также формируются сообщения о событиях. Сообщения о событиях могут быть многообразными. Например, сообщение об изменении состава сырья. В некоторых сообщениях, полученных с помощью телеизмерений, может оказаться больше сведений, чем это необходимо оператору (контроллеру) для принятия решения. Некоторая часть из них уже была известна, и только часть сообщения содержит новизну. В этом случае под информацией следует понимать лишь ту часть сообщения, которая представляет новизну и ранее не была известна получателю.

При всех различиях в трактовке понятия информации, бесспорно, что проявляется информация всегда в материально-энергетической форме в виде сигналов. Информацию, представленную в формализованном виде, позволяющем осуществить ее обработку с помощью технических средств, называют данными.

В теории информации исследуются информационные системы при четко сформулированных условиях (критерия):

1. Источник сообщения осуществляет выбор сообщения из некоторого множества с определенной вероятностью.

2. Сообщения могут передаваться по каналу связи в закодированном виде. Кодированные сообщения образуют множество, являющееся взаимно однозначным отображением множества сообщений. Правило декодирования известно декодеру (записано в его программе).

3. Сообщения следуют друг за другом, причем число сообщений может быть сколь угодно большим.

4. Сообщение считается принятым верно, если в результате декодирования оно может быть в точности восстановлено. При этом не учитывается, сколько времени прошло с момента передачи сообщения до момента окончания декодирования, и какова сложность операций кодирования и декодирования.

5. Количество информации не зависит от смыслового содержания сообщения, от его эмоционального воздействия, полезности и даже от его отношения к реальной действительности.

При управлении технологическим процессом в системе происходят определённые события которые и порождают сообщения, которые необходимо передавать от одного звена системы управления к другому.

В автоматических устройствах сообщения передаются от одного звена к другому также в виде сигналов. Для передачи сигналов используются так называемые переносчики информации - физические процессы, обладающие свойством перемещения в пространстве. Переносчик должен обладать свойством изменять свою форму или параметры под воздействием сообщения.

В качестве переносчика могут послужить звуковые, электрические и электромагнитные колебания, также могут быть использованы световые излучения. Таким образом, переносчик, несущий информацию, становится сигналом.

Так как сообщений может быть много, то и сигналов должно быть также много, но, поскольку переносчик один, сигналы должны отличаться друг от друга и соответствовать передаваемым сообщениям. Следовательно, сигналы должны образовываться по определенному закону.

Итак, чтобы получатель узнал о происшедшем событии или получил какие-то новые сведения, должна быть образована информационная цепь, представленная на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Информационная цепь о событии

1.2 Информационные системы

Совокупность средств информационной техники и людей, объединенных для достижения определенных целей или для управления, образуют автоматизированную информационную систему, к которой по мере надобности подключаются абоненты, поставляющие и использующие информацию.

Информационные системы, действующие без участия человека, называют автоматическими. За человеком в таких системах остаются функции контроля и обслуживания.

Автоматизированная информационная система становится автоматизированной системой управления (АСУ), если поставляемая информация извлекается из какого-либо объекта (процесса), а выходная используется для целенаправленного изменения состояния того же объекта (процесса), причем абонентом, использующим информацию для выбора основных управляющих воздействий (принятия решения), является человек. Объектом могут быть техническая система, экологическая среда, коллектив людей. Существуют АСУ, в которых отдельные функции управления возлагаются на технические средства, в основном на ЭВМ и микропроцессоры.

Автоматизированные информационные системы и АСУ нашли широкое применение во всех отраслях народного хозяйства в первую очередь как информационно-справочные и информационно-советующие системы, системы управления технологическими процессами и коллективами людей. Большинство из них являются локальными системами и функционируют на уровне предприятий и учреждений. В настоящее время происходит интенсивный процесс интеграции таких систем в системы производственных объединений и далее -- в отраслевые и ведомственные системы.

Системы более высокого уровня становятся территориально рассредоточенными, иерархичными как по функциональному принципу, так и по реализации их техническими средствами. Обеспечение взаимодействия территориально рассредоточенных систем требует протяженных высокоскоростных и надежных каналов связи, а увеличение объема обрабатываемой информации -- ЭВМ высокой производительности. Это привело к необходимости коллективного использования средств автоматизации и обрабатываемой информации (банков и баз данных). Техническое развитие как самих электронных вычислительных машин, так и средств связи позволило решить эту проблему путем перехода к созданию распределенных информационно-вычислительных сетей коллективного пользования.

Централизация различных видов информации в одной сети дает возможность использовать ее для решения широкого спектра задач, связанных с административным управлением, планированием, научными исследованиями, конструкторскими разработками, технологией производства, снабжением, учетом и отчетностью.

Наиболее распространенными информационными системами являются системы, обеспечивающие передачу информации из одного места в другое (системы связи) и от одного момента времени до другого (системы хранения информации). Обе разновидности систем передачи информации имеют много общего в принципиальных вопросах обеспечения эффективности функционирования. Их применяют как самостоятельные системы и как подсистемы в составе любых более сложных информационных систем. Совокупность таких подсистем в информационно-вычислительной сети образует ее основное ядро -- сеть передачи данных. Современные производственные системы контроля и управления носят рассредоточенный в пространстве характер. Между компонентами систем, такими как датчики, локальные контроллеры, диспетчерские пункты расстояние может составлять единицы и десятки километров. Указанные компоненты систем в процессе своей работы обмениваются различного рода сообщениями, содержащими сведения о технологическом процессе и аппаратных средствах самих систем.

1.3 Основные этапы обращения информации

Полученная информация в автоматических и автоматизированных системах чаще всего используется для выработки управляющих воздействий.

При обращении информации в системах можно выделить отдельные этапы. Так как материальным носителем информации является сигнал, то реально это будут этапы обращения и преобразования сигналов. На рисунке 1.2 представлены основные этапы обращения информации.



Рисунок 1.2 - Этапы обращения информации

На этапе восприятия информации осуществляется целенаправленное извлечение и анализ информации о каком-либо объекте (процессе), в результате чего формируется образ объекта, проводятся его опознание и оценка. При этом необходимо отделить интересующую нас в данном случае информацию от мешающей (шумов), что в ряде случаев связано со значительными трудностями.

Простейшим видом восприятия является различение двух противоположных состояний: наличия («да») и отсутствия («нет»), более сложным -- измерение.

На этапе подготовки информации проводятся такие операции, как нормализация, аналого-цифровое преобразование, шифрование. Иногда этот этап рассматривается как вспомогательный на этапе восприятия. В результате восприятия и подготовки получается сигнал в форме, удобной для передачи или обработки.

На этапах передачи и хранения информация пересылается либо из одного места в другое, либо от одного момента времени до другого. Поскольку теоретические задачи, возникающие на этих этапах, близки друг другу, этап хранения информации часто в самостоятельный этап не выделяется. При этом передача информации получает более широкое толкование. Для передачи на расстояние используются каналы различной физической природы, самыми распространенными из которых являются электрические и электромагнитные. В последнее время получил признание также перспективный оптический канал. Для хранения информации используются в основном полупроводниковые и магнитные носители. Извлечение сигнала на выходе канала, подверженного действию шумов, носит характер вторичного восприятия.

На этапах обработки информации выявляются ее общие и существенные взаимозависимости, представляющие интерес для системы. Преобразование информации на этапе обработки (как и на других этапах) осуществляется либо средствами информационной техники, либо человеком. Если процесс обработки формализуем, он может выполняться техническими средствами. В современных сложных системах эти функции возлагаются на ЭВМ и микропроцессоры. Если процесс обработки не поддается формализации и требует творческого подхода, обработка информации осуществляется человеком. В системах управления важнейшей целью обработки является решение задачи выбора управляющих воздействий (этап принятия решения).

Этап отображения информации должен предшествовать этапам, связанным с участием человека. Цель этапа отображения -- предоставить человеку нужную ему информацию с помощью устройств, способных воздействовать на его органы чувств.

На этапе воздействия информация используется для осуществления необходимых изменений в системе.

1.4 Обобщенная схема передачи информации

Структурная схема одноканальной системы передачи информации приведена на рисунке 1.3.



Рисунок 1.3 - Структурная схема передачи информации

Информация поступает в систему в форме сообщений. Под сообщением понимают совокупность знаков или первичных сигналов, содержащих информацию. Источник сообщений в общем случае образует совокупность источника информации ИИ (исследуемого или наблюдаемого объекта) и первичного преобразователя ПП (датчика, человека-оператора и т.п.), воспринимающего информацию о его состояниях или протекающем в нем процессе. 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. Распространенной разновидностью дискретных сообщений являются данные.

Непрерывные сообщения не разделимы на элементы. Они описываются функциями времени, принимающими непрерывное множество значений. Типичными примерами непрерывных сообщений могут служить речь, телевизионное изображение. В ряде систем связи непрерывные сообщения с целью повышения качества передачи преобразуются в дискретные.

Для передачи сообщения по каналу связи ему необходимо поставить в соответствие определенный сигнал. Преобразование любых сообщения как непрерывных, так и дискретных в сигнал, удобный для передачи по данному каналу связи, называют кодированием в широком смысле слова. Для дискретных сообщений под кодированием часто понимают преобразование по определенным правилам дискретных сообщении в дискретные сигналы. Для непрерывных сообщений кодирование часто связывают с понятием модуляция.

Операцию восстановления сообщения по принятому сигналу называют декодированием.

Так как число возможных дискретных сообщений при неограниченном увеличении времени стремится к бесконечности, а за достаточно большой промежуток времени весьма велико, то ясно, что создать для каждого сообщения свой сигнал практически невозможно. Однако поскольку дискретные сообщения складываются из знаков, имеется возможность обойтись конечным числом образцовых сигналов, соответствующих отдельным знакам алфавита источника.

Для обеспечения простоты и надежности распознавания образцовых сигналов их число целесообразно сократить до минимума. Поэтому, как правило, прибегают к операции представления исходных знаков в другом алфавите с меньшим числом знаков, называемых символами.

Устройство, выполняющее такую операцию кодирования, называют кодером К. Так как алфавит символов меньше алфавита знаков, то каждому знаку соответствует некоторая последовательность символов, которую назовем кодовой комбинацией. Число символов в кодовой комбинации называют ее значностью, число ненулевых символов -- весом кодовой комбинации.

Аналогично, для операции сопоставления символов со знаками исходного алфавита используется термин декодирование. Техническая реализация ее осуществляется декодирующим устройством или декодером ДК. В простейшей системе связи кодирующее, а следовательно, и декодирующее устройство может отсутствовать.

Передающее устройство осуществляет преобразование непрерывных сообщений или знаков в сигналы, удобные для прохождения по конкретной линии связи (либо для хранения в некотором запоминающем устройстве). При этом один или несколько параметров выбранного носителя изменяют в соответствии с передаваемой информацией. Такой процесс называют модуляцией. Он осуществляется модулятором М. Обратное преобразование сигналов в символы производится демодулятором ДМ.

Как уже было отмечено, под линией связи понимают любую физическую среду (воздух, металл, магнитную ленту и т. п.), обеспечивающую поступление сигналов от передающего устройства к приемному. Сигналы на выходе линии связи могут отличаться от переданных вследствие затухания, искажения и воздействия помех. Помехами называют любые мешающие возмущения, как внешние (атмосферные помехи, промышленные помехи), так и внутренние (источником которых является сама аппаратура связи), вызывающие случайные отклонения принятых сигналов от переданных. Эффект воздействия помех на различные блоки системы стараются учесть эквивалентным изменением характеристик линии связи. Поэтому источник помех условно относят к линии связи.

Из смеси сигнала, и помехи приемное устройство выделяет сигнал и посредством декодера восстанавливает сообщение, которое в общем случае может отличаться от посланного. Меру соответствия принятого сообщения посланному называют верностью передачи. Обеспечение заданной верности передачи сообщений -- важнейшая цель системы связи.

Принятое сообщение с выхода системы связи поступает к абоненту-получателю, которому была адресована исходная информация.

При передаче информации от группы источников, сосредоточенных в одном пункте, к группе получателей, расположенных в другом пункте, целесообразно использовать многоканальную связь. Многоканальные системы позволяют организовать на основе одной линии связи несколько независимых каналов связи.

1.5 Понятие сигнала и его модели

информационный одноканальный декодирование

Понятие сигнал имеет неоднозначное толкование. В широком смысле слова под сигналом понимают материальный носитель информации. При этом к сигналам относят как естественные сигналы, так и сигналы, специально создаваемые с определенной целью. Естественными являются, например, световые сигналы, позволяющие видеть окружающий мир, космические сигналы. Примером специально создаваемых могут служить сигналы, генерируемые с целью извлечения информации об изменениях в объекте или процессе (эталонные сигналы).

В теории информации под сигналом в общем случае следует понимать переносчик с нанесенным на нем сообщением или информацией.

В любом сигнале присутствует некая материальная основа, которая представляет собой какой-либо физический объект или процесс, называемый носителем (переносчиком) информации. Носитель становится сигналом в процессе модуляции. Параметры носителя, изменяемые во времени в соответствии с передаваемым сообщением, называют информативными.

В качестве носителей информации (переносчика) используются колебания различной природы, чаще всего гармонические, включая частный случай -- постоянное состояние (щ = 0). В технических информационных системах наиболее широкое распространение получили носители в виде электрического напряжения или тока. Поэтому, рассматривая в дальнейшем модели сигналов, для конкретности, будем соотносить их с электрическими сигналами.

В носителе u(t) = const имеется только один информативный параметр -- уровень (например, уровень напряжения). При использовании гармонических электрических колебаний информативными могут стать такие параметры, как амплитуда, частота, фаза. Колебания принято подразделять на детерминированные и случайные.

Детерминированными называют колебания, которые точно определены в любые моменты времени.

Случайные колебания отличаются тем, что значения их некоторых параметров предсказать невозможно. Они могут рассматриваться как сигналы, когда несут интересующую нас информацию (случайные сигналы), или как помехи, когда мешают наблюдению интересующих нас сигналов.

При изучении общих свойств каналов связи, сигналов и помех мы отвлекаемся от их конкретной физической природы, содержания и назначения, заменяя моделями. Модель -- это выбранный способ описания объекта, процесса или явления, отражающий существенные с точки зрения решаемой задачи факторы.

Задачи повышения эффективности функционирования информационных систем связаны с установлением количественных соотношений между основными параметрами, характеризующими источник информации и канал связи. Поэтому при исследовании используют математические модели. Математическое моделирование может быть реализовано различными методами в зависимости от способа, которым определяются интересующие нас показатели.

Фундаментальные исследования базируются на методе аналитического моделирования, заключающемся в создании совокупности математических соотношений, позволяющих выявить зависимости между параметрами модели в общем виде. При этом широко используются модели, параметры которых противоречат физическим свойствам реальных объектов. Например, модель сигнала часто представляется суммой бесконечного числа функций, имеющих неограниченную продолжительность (синусоид). Поэтому важно обращать внимание на условия, при которых это не мешает получать результаты, соответствующие наблюдаемым в действительности.

Так как источник сообщений выдает каждое сообщение с некоторой вероятностью, то предсказать точно изменения значения информативного параметра невозможно. Следовательно, сигнал принципиально представляет собой случайное колебание и его аналитической моделью может быть только случайный процесс, определяемый вероятностными характеристиками.

Тем не менее, в случае детерминированного колебания условно так же говорят о детерминированном сигнале. Такой сигнал отображает известное сообщение, которое нет смысла передавать. Ему соответствует модель в виде функции, полностью определенной во времени.

Изучение моделей детерминированных сигналов необходимо по многим причинам. Важнейшая из них заключается в том, что результаты анализа детерминированных сигналов являются основой для изучения более сложных случайных сигналов. Это обусловлено тем, что детерминированный сигнал может рассматриваться как элемент множества детерминированных функций, составляющих в совокупности случайный процесс. Детерминированное колебание, таким образом, представляет собой вырожденную форму случайного процесса со значениями параметров, известными в любой момент времени с вероятностью, равной единице. Детерминированные сигналы имеют и самостоятельное значение. Они специально создаются для целей измерения, наладки и регулирования объектов информационной техники, выполняя роль эталонов.

1.6 Формы представления сигналов

1.6.1 Обзор наиболее распространенных форм представления сигналов

В общем случае наиболее широко известны следующие формы представления сигналов:

- временное представление, в координатах “амплитуда - время”;

- аналитическая форма, в виде алгебраической или тригонометрической формулы;

- частотное представление, в координатах “амплитуда - частота”;

- векторная форма, в виде определенных векторных диаграмм, например, наиболее часто встречающихся в процессе анализа трехфазных электрических цепей.

Наиболее часто, при анализе процессов в области сбора и передачи информации, используются временное и частотное представление сигналов, рассмотрим эти представления более подробно.

1.6.2 Временное представление сигналов

Временное представление сигналов широко используется в технике, так как позволяет наглядно представить форму сигнала и его особенности. Техническая реализация временного представления сигналов осуществляется с помощью широко известного измерительного прибора, называемого осциллографом.

При временном представлении каждый сигнал имеет определенные характеристики. Так, если сигнал гармонический, то он характеризуется набором характеристик, основные из которых:

- амплитуда (например, амплитуда напряжения Um);

- период сигнала T (при этом можно говорить о частоте сигнала f, как о величине обратной периоду сигнала);

- фаза сигнала ц относительно какой-либо точки на оси времени, например, относительно начала координат.

Под периодом сигнала T, в общем случае, следует понимать интервал времени между двумя ближайшими точками с одинаковой фазой.

Зная временные характеристики сигнала можно, как правило, осуществить аналитическую форму записи. К примеру, аналитическая форма сигнала, представленного на рисунке 1.4, будет выглядеть следующим образом:

u(t) = Um sin (2рf t + ц) = 10 sin(t + 0)

или

u(t) = Um cos (2рf t - ц) = 10 cos(t - )

Рисунок 1.4 - Временное представление сигнала

Сигналы более сложной формы, например трапецеидальной формы, кроме указанных для гармонического сигнала временных параметров, принято характеризовать дополнительно следующими характеристиками:

- длительность импульса фи . Это интервал времени на уровне не менее 0,5 от амплитудного значения;

- скважность сигнала Q. Это отношение периода сигнала к его длительности:

;

- длительность фронта (переднего или заднего). В соответствии с определением, это интервал времени от уровня 0,1 до уровня 0,9 от амплитудного значения для растущего уровня сигнала или, наоборот, для падающего;

- коэффициент заполнения q. Это величина, обратная скважности.

1.6.3 Частотное представление сигналов

Как уже было сказано выше, частотное представление осуществляется в координатах «амплитуда - частота». Графическое изображение этой характеристики называется спектральной диаграммой.

На рисунке 1.5 представлена спектральная диаграмма гармонического сигнала синусоидальной формы с частотой 4 кГц и амплитудой 6 В.

Рисунок 1.5 - Пример спектра гармонического сигнала

Для построения спектральной диаграммы гармонического сигнала достаточно знать амплитудное значение сигнала и его частоту.

Для построения спектральной диаграммы сложных сигналов недостаточно знать частоту повторения сигнала и его амплитуду, спектр таких сигналов имеет достаточно сложный характер.

Для построения спектров сложных сигналов в связи принято представлять их в виде суммы гармонических колебаний различных частот и фаз. Наиболее распространенным представлением является представление в виде рядов Фурье.

Всякий периодически повторяющийся процесс может быть представлен состоящим из гармонических колебаний определенных частот. Бесконечная последовательность импульсов является периодической функцией времени F(t) и ее разложение:



где A0 - постоянная составляющая сигнала;

Ak - амплитуда k-й гармоники;

= 2/Т - угловая частота;

цk - начальная фаза k-й гармоники;

k = 1, 2, 3, … .

Это значит, что последовательность импульсов представляет собой сумму некоторого значения постоянного тока Ао и бесконечного числа синусоидальных колебаний с амплитудой Ak, частотами k и начальными фазами цk.

Частота основной гармоники при таком представлении (k = 1) равна частоте повторения сигнала:

а частоты остальных колебаний кратны частоте f1 .

Совокупность гармонических составляющих, на которые разложен сигнал, называется спектром. Если спектр состоит из отдельных линий, то его называют прерывистым, дискретным или линейчатым.

Естественно, что свойства спектра сигнала зависят от его собственных параметров: длительности, скважности, длительности фронтов и т.д. Для получения спектра сложного сигнала необходимо вычислить коэффициенты Фурье по соответствующим формулам интегрального вида, что представляет довольно трудоемкую операцию. К примеру, для передачи информации часто используют сигнал прямоугольной формы. Для последовательности прямоугольных импульсов ряд Фурье имеет вид:

где ; ; ;;

Пусть передается последовательность прямоугольных импульсов со скважностью Q = 120 / 20 = 6 (рисунок 1.6, а). Подставив данные в формулу (1.6), получим значения амплитуд гармоник, входящих в первый лепесток спектра (рисунок 1.6, б).

Рисунок 1.6 - Представления сигнала прямоугольной формы

а - последовательность импульсов со скважностью 6;

б - амплитуды гармоник последовательности импульсов (спектр сигнала);

в - форма последовательности импульсов при полосе частот 50 Гц

Из расчета следует, что при амплитуде импульса 1 В постоянная составляющая равна 0,16 В. Частота 1-й гармоники всегда равна частоте следования импульсов f1 = 1/(12010-3) = 8,33 Гц. Амплитуда 6-й гармоники (f6 = 6f1 = 50 Гц) равна нулю (аргумент синуса равен ). Далее амплитуды гармоник начнут возрастать, но амплитуда гармоники частотой f12 =100 Гц снова обратится в нуль. Частоты гармоник, амплитуды которых обращаются в нуль, кратны величине, обратной длительности импульса. Амплитуда гармоник с увеличением их номера будет убывать, стремясь к нулю при бесконечно большой частоте. Это значит. Что для точного воспроизведения формы импульсов необходима бесконечно большая полоса частот. Импульс с бесконечной шириной спектра невозможно передать по реальной линии связи. Поэтому полосу частот приходится ограничивать. Так, если для передачи указанной последовательности импульсов выделяется полоса частот от нуля до f6 = 50 Гц, то это означает, что передача осуществляется пятью гармониками (от f1 = 8,33 до f5 = 41,67Гц), заключенными в первом лепестке.

Спектры импульсных сигналов, как правило, линейчатые. Более детальный анализ спектров импульсных сигналов показывает, что основная энергия сигнала сосредоточена в полосе частот:

f = /

где м = (1,5 - 2) - коэффициент воспроизведения формы импульса.

До появления персональных компьютеров, для спектров наиболее распространенных сигналов были расчетным путем получены универсальные справочные выражения, позволяющие достаточно быстро получить значения составляющих спектра сигнала.

В настоящее время спектры сложных сигналов получают программными средствами с помощью компьютеров. Одной из эффективных программ моделирования, позволяющей получать спектры сигналов, является программа Electronics Workbench и ее последующие версии.

1.7 Линии и каналы связи

1.7.1 Классификация линий связи

В процессе передачи информации из одной пространственной точки в другую сигналы, несущие информацию, преодолевают некую физическую среду, называемую линией связи и предназначенной для канализации энергии в определенном направлении.

На сегодняшний день существует множество классификаций линий связи. Приведем классификацию некоторых линий связи в зависимости от физической среды, в которой могут распространяться сигналы.

В общем случае линии связи делятся на проводные и беспроводные.

В свою очередь проводные линии связи можно разделить:

- на воздушные;

- кабельные;

- волноводные;

- световодные (оптоволоконные).

Беспроводные линии связи в свою очередь могут быть разделены на следующие виды:

- радиолинии;

- радиорелейные;

- спутниковые линии.

Приведенная классификация достаточно условна и может меняться в зависимости от точки зрения читателя и уровня его квалификации.

У каждой линии связи есть своя история, достоинства и недостатки, изложить которые на страницах данного пособия полностью невозможно, поэтому кратко познакомимся лишь с некоторыми из них.

Воздушные проводные линии связи исторически являются самыми старыми. Их достоинство - невысокая стоимость, невысокие эксплуатационные расходы.

Недостатками воздушных проводных линий связи являются плохие, по современным меркам, технические характеристики, главные из которых узкая полоса пропускания и соответственно малая скорость передачи информации. В настоящее время этот вид линий связи заканчивает свое существование и не играет существенной роли в технике связи.

Кабельные линии связи на основе медных проводников являлись основными в конце прошлого столетия и достаточно широко применяются еще и в настоящее время. В зависимости от конструкции их параметры могут быть достаточно хорошими, что, однако, требует больших материальных затрат, как при изготовлении, так и при эксплуатации. В настоящее время применение многожильных кабельных линий связи на основе медных проводников следует считать неперспективным, а сами линии связи морально устаревшими.

Волноводные линии связи относятся к высокочастотным линиям связи (к ним следует относить и коаксиальные линии связи) и имеют ограниченное значение в области автоматизации производственных процессов. Эти линии связи, применительно к рассматриваемой тематике, интегрированы в каналы связи с использованием спутниковых технологий.

Световодные или оптоволоконные линии связи являются в настоящее время самыми перспективными среди проводных линий связи. По удельной стоимости одной единицы информации они значительно дешевле всех рассмотренных ранее линий связи. По сравнению с медными проводами оптоволоконные кабели несравнимо легче. Их технические параметры, как правило, способны удовлетворить даже самые жесткие требования к производственным системам связи, поэтому их применение следует рассматривать в первую очередь при проектировании технологических систем.

Оптическое волокно, являющееся основой оптоволоконной линией связи, состоит из двух концентрических слоев: сердечника (ядра) и оптической оболочки, имеющих соответствующие показатели преломления. Вокруг оптической оболочки в целях предохранения от внешних воздействий, наносятся несколько защитных слоев полимера. На рисунке 1.7 показана конструкция отдельно взятого оптического волокна.

Рисунок 1.7 - Конструкция оптического волокна

При вводе света внутрь такой конструкции под углом, больше критического, свет испытывает полное внутреннее отражение, будет двигаться зигзагообразно вдоль сердечника оптоволокна, а вся переносимая лучом энергия остается в отраженном потоке (в идеализированном случае). Это явление носит название полного внутреннего отражения. На рисунке 1.8 приведена иллюстрация эффекта полного внутреннего отражения.

Рисунок 1.8 - Эффект полного внутреннего отражения

На эффекте полного внутреннего отражения построены все оптические волокна.

Существует 2 основных типа волокон: многолучевые и однолучевые (многомодовое и одномодовое волокна). Волокна с сердечником многолучевого типа делятся на шаговые и ступенчатые. Многолучевой шаговый тип волокна получил свое название из-за резкой, подобно скачку, разности в показателях преломления сердечника и оболочки. В более распространенном ступенчатом сердечнике световые лучи также распространяются по волокну многолучевыми трассами, но в отличие от шагового ступенчатый сердечник содержит много слоев стекла, каждый с более низким коэффициентом преломления, в направлении от оси.

Волокно однолучевого типа позволяет передать по сердечнику единичные световые лучи. Это фактически устраняет любое искажение из-за наложения световых импульсов друг на друга. Сердечник волокна однолучевого типа чрезвычайно мал по размеру, приблизительно 5 - 10 микрон. Волокно однолучевого типа обладает более высокой пропускной способностью и мощностью по сравнению с многолучевыми.

1.7.2 Характеристики каналов связи

Передача информации (сигналов) по отдельным линиям на сегодняшний день не представляет принципиальных трудностей. К примеру, если для передачи одного сигнала одному приемнику предоставляется одна пара проводов, а для передачи N сигналов - N пар проводов. Однако такие многопроводные системы при передаче на большие расстояния не применяются. На сегодняшний день одновременную передачу сразу нескольких сигналов можно осуществлять и по одной линии связи. В теории связи использование одной линии связи для передачи многих сообщений (сигналов) называют уплотнением линий связи или образованием каналов связи, а вместо термина “разделение сигналов” применяют термин “разделение каналов”.

Таким образом, под каналом связи, следует понимать совокупность технических средств и алгоритмов их функционирования, обеспечивающих независимую передачу сообщений.

В настоящее время существует множество и других определений канала связи, в зависимости от области применения науки и техники.

Перед передачей сигнал, как правило, обрабатывается с целью оптимизации его свойств и согласования этих свойств со свойствами самого канала связи. Совокупность правил такой обработки принято называть протоколом. Естественно, что на приемном конце, для восстановления сигнала в его прежнем виде, необходимо знать указанную совокупность правил, то есть протокол. Только в этом случае возможна передача информации без искажений. Обработку сигнала до необходимого уровня невозможно осуществить без применения микропроцессорных средств и соответствующих программ, выполненных на основе определенных алгоритмов, зачастую очень высокого уровня сложности.

Основными характеристиками канала связи являются:

- емкость канала связи Vк ;

- скорость передачи информации Uк;

- пропускная способность Cк .

Емкостью канала связи Vк называют величину, равную:

Vк = Tк • ?Fк • Hк

где Tк - время в течение которого канал занят передаваемым сообщением;

?Fк - полоса частот, пропускаемая каналом;

Hк - параметр, показывающий энергетические соотношения сигнала и помех (шумов) в канале связи. В большинстве случаев можно принять, что:

,

где Pc - мощность сигнала в полосе канала связи;

Pп - мощность помехи в полосе канала связи.

Скорость передачи информации Uк определяет количество информации I, передаваемое в единицу времени:

Пропускная способность Cк канала связи - это максимально возможная скорость передачи информации:

Для того чтобы определить, насколько скорость передачи информации близка к пропускной способности канала, вводят характеристику зк , называемую коэффициентом использования канала связи:

Пропускная способность канала связи является одной из важнейших характеристик канала связи и связана с его вторичными параметрами, например полосой пропускания канала связи ?Fк. При условии передачи сигнала непрерывного по времени и помехе в канале, распределенной по так называемому нормальному закону, выражение, предложенное К.Шенноном, для пропускной способности канала связи в зависимости от его полосы пропускания имеет вид:

1.7.3 Согласование канала связи с источником информации

Конкретный канал связи обладает определенными физическими параметрами, от которых зависит возможность передачи по нему тех или иных сигналов.

При оценке возможностей передачи сигнала по каналу с заданными физическими характеристиками, как правило, ограничиваются рассмотрением трех основных параметров сигнала: его длительности Тс, ширины спектра ?Fc и параметром Hс, показывающем энергетическое соотношение в сигнале полезной составляющей и помех (шумов). Параметр Hс связан с возможностями передатчика и дальностью передачи. Чем больше Hс, тем меньше вероятность ошибочного приема.

Аналогично объему канала вводится понятие объема (емкости) Vc передаваемого сигнала:

Vс = Tс • ?Fс • Hс,

где Tс - длительность существования сигнала;

?Fс - ширина спектра сигнала;

Hс - параметр, показывающий энергетическое соотношение в сигнале.

Необходимым условием принципиальной возможности неискаженной передачи сигнала по данному каналу является выполнение соотношения:

Vк ? Vс .

При этом, однако, могут потребоваться преобразования для обеспечения достаточных условий передачи, а именно:

Tк ? Tс ; ?Fк ? ?Fс ; Hк ? Hс

Если какое-либо из достаточных условий не выполняется, а необходимое условие соблюдено, то это означает, что необходимо предварительное преобразование сигнала перед передачей его в канале связи.

Когда канал, к примеру, имеет меньшую полосу пропускания, чем практическая ширина спектра, подлежащего передаче сигнала, последнюю можно уменьшить за счет увеличения длительности сигнала. Объем сигнала при этом сохраняется неизменным. Практически такое преобразование можно осуществить, например, посредством записи сигнала на магнитную ленту с высокой скоростью и последующего воспроизведения со скоростью, при которой ширина его спектра равна полосе пропускания канала.

Если, наоборот, широкополосный канал предоставляется на время, меньшее длительности сигнала, то согласование осуществляется за счет расширения спектра сигнала. Для реализации также может использоваться накопитель на магнитной ленте, однако в данном случае скорость воспроизведения должна быть выше скорости записи.

При низком уровне Hк преобразование заключается в уменьшении уровня Hс с одновременным увеличением длительности сигнала путем многократного повторения передачи. Возможны и другие виды преобразования.

Размещено на Allbest.ru