Обобщенная структурная схема системы передачи информации. Основные информационно-технические характеристики источников дискретных и непрерывных сообщений

1. Понятие системы передачи информации

Система передачи информации - совокупность узлов и блоков, обеспечивающая передачу информации от источника к получателю, расположенному на удалении от источника.

К СПИ относят

· системы связи

· системы телеметрии

· системы передачи команд.

Системы связи - системы, предназначенные для обмена информацией между источником и получателем в виде речевых сигналов или данных.

Системы телеметрии - системы, предназначенные для передачи данных измерений физических величин на расстоянии.

Системы передачи команд - предназначены для передачи команд от пункта управления к различным исполнительным механизмам.

Все системы могут быть описаны обобщенной структурной схемой. Системы связи могут работать в режиме симплексной связи (когда обмен информацией происходит поочередно по одной линии вязи), либо в дуплексном режиме (при этом обмен информацией происходит одновременно с использованием двух разных каналов).

Описание структурной схемы:

1, 1 - источник информации

2, 2 - кодер источника

3, 3 - кодер канала

4, 4 - модулятор

5, 5 - усилитель мощности с преобразователем

6, 6 - линия связи

7, 7 - линейная часть радиоприемного устройства

8, 8 - демодулятор

9, 9 - декодер канала

10, 10 - декодер источника

11, 11 - получатель информации

12 - источник помех

Источник информации генерирует информацию в том виде, которая присуща для данного типа. Необходимо, чтобы между источником информации и кодером стоял преобразователь, который преобразовывает неэлектрический сигнал в электрический.

Кодер источника - устройство, которое формирует электрический первичный сигнал в форму, имеющую определенное математическое описание. КИ формирует первичный битовый поток.

Кодер канала - устройство, которое преобразовывает первичный битовый поток в форму, необходимую для эффективного согласования передаваемой информации с каналом связи. При передаче речевых сообщений в качестве канала используются различные преобразователи на основе авто регрессии. Основная задача - уменьшение скорости информационного потока с целью передачи этого сигнала по узкополосным каналам связи. При передаче данных в кодере канала осуществляется помехоустойчивое кодирование.

В модуляторе происходит формирование высокочастотного сигнала, т.е. модуляция высокочастотной несущей информационным низкочастотным сигналом.

Задачей усилителя мощности является усиление сигнала до уровня, необходимого для того, чтобы на входе приемного устройства с учетом ослабления в линии связи, иметь соотношение сигнал/шум необходимый для обеспечения заданных характеристик системы.

Линия связи - физическая среда, по которой осуществляется передача высокочастотных сигналов от передатчика к приемнику.

Линейная часть приемного устройства обеспечивает усиление сигнала до уровня, необходимого для работы демодулятора; частотную и временную селекцию сигнала из помех.

Демодулятор осуществляет операции, обратные модулятору.

В декодере происходят операции обратные операциям кодера. Задача декодера источника состоит в том, чтобы преобразовать цифровой сигнал в форму удобную для потребителя, получателя информации.

2. Основные информационно-технические характеристики СПИ

1. Достоверность передачи информации.

2. Помехоустойчивость передачи информации.

3. Скорость передачи информации.

4. Пропускная способность каналов связи.

1. Достоверность передачи информации.

Достоверность - степень соответствия принятого сообщения переданному сообщению. Она оценивается различным образом при передаче дискретных и непрерывных сообщений. При этом дискретными сообщениями будем называть такие, которые описываются дискретными функциями времени и формируются из ограниченного набора элементарных сообщений - алфавита. Непрерывные сообщения описываются непрерывными функциями времени (например, речь, музыка).

При передаче дискретных сообщений достоверность оценивается вероятностью ошибки. Пусть n_пер - количество переданных дискретных элементов, n_пр - количество принятых элементов

- число правильно принятых сообщений,

- число ошибочно принятых сообщений.

Будем количественно оценивать достоверность переданной информации числом ошибочно принятых сообщений.

Частотность ошибки

.

Если n_пр >, , - вероятность ошибки. Обычно =10^-6…10^-12,

.

При передаче непрерывных сообщений достоверность оценивается среднеквадратичным отклонением принятого сообщения от переданного .

Пусть передано сообщение , а принято .

Тогда

- мощность помехи на выходе демодулятора.

Относительная среднеквадратичная ошибка воспроизведения сообщения

.

Обычно в системах связи .

2. Помехоустойчивость СПИ.

Помехоустойчивость - способность системы обеспечивать заданную достоверность передачи информации при воздействии помех.

Абсолютное значение мощности помехи не может характеризовать помехоустойчивость системы, поэтому вводят относительную величину отношения мощности сигнала к мощности помехи на входе:

- это соотношение с/ш по мощности.

Далее строят функциональные зависимости достоверности передачи от соотношения с/ш на входе

- вероятность битовой ошибки,

- среднеквадратическая ошибка воспроизведения.

Эти функции дают возможность количественно оценивать качество системы и сопоставлять их между собой. Наилучшей является та система, которая при одинаковой достоверности требует min соотношение с/ш на входе.

3. Скорость передачи информации.

Скорость передачи - количество информации, которое передается по системе в единицу времени. Положим, что потоки информации описываются эргодическими процессами:

,

где - временной промежуток (с),

- количество информации (бит).

Если в канале связи отсутствуют помехи, то количество полезной информации, которую генерирует источник, полностью доставляется получателю без потерь. Если в канале присутствуют помехи, то часть информации, генерируемой источником, теряется на выходе. Потребителю будет доставлена часть информации, поэтому, когда говорят о скорости передачи R, то при этом понимают скорость получения полезной информации потребителем.

Существуют понятия информационной и технической скорости. Информационная скорость оценивается в , а техническая - скоростью передачи символов в секунду.

Если - длительность передаваемого символа, то ширина полосы пропускания системы при АМ и ФМ , при частотной модуляции .

4. Пропускная способность каналов связи

Когда проектируют любые системы связи, возникает вопрос:«C какой же максимальной скоростью можно передавать информацию?»

Максимально возможная скорость передачи по каналу связи называется пропускной способностью канала связи и обозначается буквой С.

Пропускная способность вычисляется по формулам Шеннона, которые будут рассмотрены в последующих лекциях.

3. Количество информации в сообщении

Информация - количество сведений о каком-либо событии, объекте или процессе. Информация существует в виде сообщений, имеющих различную физическую природу и различные формы представления. Все сообщения можно подразделить на:

· дискретные;

· непрерывные.

Дискретные сообщения состоят из отдельных элементарных сообщений, которые выбираются из соответствующего алфавита. Одно и тоже количество информации может содержаться в сообщениях разной природы.

Положим, что источник сообщений генерирует элементарные сообщения

Известны априорные вероятности сообщений, которые составляют полную группу событий

.

Количество информации в сообщении увеличивается с уменьшением вероятности его передачи.

Количество информации:

,

>0 ,

.

Последний результат противоречит здравому смыслу, поскольку заранее известное событие с не имеет никакой информации. Поэтому ввели логарифмическую меру количества информации.

>0

Логарифмическая мера хорошо отображает аддитивность информации

Предположим, что длинное сообщение состоит из .

.

.

В теории информации используют логарифм с основаниями е и 2.

, .

Положим, что имеются два сообщения и известны их априорные вероятности

.

За единицу количества информации принимается количество информации, содержащееся в сообщении об одном из двух равновозможных сообщений. Она называется двоичной единицей или бит.

4. Источник дискретных сообщений и его энтропия

Положим, что мы имеем источник дискретных сообщений

Задан набор априорных вероятностей передачи сообщений . Будем считать, что сообщения источника статистически независимы, т. е. вероятности их появления описываются одномерными вероятностями . При этом

.

Можем определить количество информации, которое содержится в каждом сообщении источника

.

Среднее количество информации:

.

Оно вычисляется исходя из априорных знаний о вероятности появления отдельных сообщений. Эта величина характеризует неопределенность состояния источника, т. е. неопределенность того, какое из сообщений появится на его выходе в рассматриваемый момент времени. Назовем это энтропией.

Положим, что имеется двоичный источник сообщений с априорными вероятностями .

.

Построим график энтропии

видно, что всегда положительна и достигает максимума при

Положим, что количество сообщений m,

.

Из сравнения последних двух выражений видно, что с увеличением количества сообщений источника его энтропия растет пропорционально .

Отсюда следует, что количество информации, которое содержится в одном сообщении источника, растет с увеличением размера алфавита.

- энтропия нулевого порядка, которая характеризует источник статистических независимых равновероятных сообщений.

 ,

, ,

- энтропия источника не равновероятных независимых сообщений.

- энтропия источника неравномерно попарно зависимых сообщений.

- характеризует источник, у которого прослеживается связь между l - сообщениями.

Таким образом, с увеличением статических связей между сообщениями, среднее количество информации, которое содержится в одном сообщении, уменьшается.

Избыточность сообщений источника

.

5. Источник непрерывных сообщений

Положим, что мы имеем источник непрерывных сообщений , который описывается плотностью вероятности .

Поскольку все сообщения описываются функцией с ограниченным спектром, они могут быть дискретизированы по времени в соответствии с теоремой Котельникова и мы можем передавать не сами сообщения, а их значения в точках отсчета

.

Целесообразно передавать не всю шкалу значений уровней. Для этого кроме дискретизации по времени осуществляется квантование по уровням m:

.

Вероятность попадания значения в интервал

.

Тогда

При ,

=.

Если , .

- дифференциальная энтропия, которая зависит от статистических свойств источника.

.