Предисловие

Курс «Передача дискретных сообщений» является продолжением и развитием предшествующего курса «Теория электрической связи». В нем предполагается более углубленное изучение принципов передачи дискретных сообщений и построения систем передачи дискретных сообщений с акцентом на практическое инженерное состояние и развитие средств связи.

В курсе сначала излагаются общие вопросы построения систем передачи дискретных сообщений, затем принципы построения отдельных составляющих этой системы: устройств защиты от ошибок, устройств преобразования сигналов, устройств синхронизации.

Для закрепления материала и контроля за его усвоением в отдельных главах имеются вопросы.

Глава 1. Системные передачи дискретных сообщений

1.1. Основные понятия и определения

Системы связи служат для передачи информации.

Под инфор­мацией понимаются сведения о каком-либо событии или предмете, поступающие к получателю извне в результате его взаимодейст­вия с окружающей средой. Подлежащая передаче информация содержится в сообщении.

Под сообщением понимается форма представления информации. При телефонной передаче и вещании сообщение—это непрерывное изменение во времени звукового давления, при телеграфной передаче сообщением является после­довательность отдельных (дискретных) символов — букв, цифр или условных знаков.

Дискретными называются такие сообщения, которые характеризуются конечным числом символов, подлежащих передаче за конечный промежуток времени.

В отличие от дискретных, не­прерывные (или, как их иногда называют, аналоговые) сообщения характеризуются бессчетным множеством значений на протяжении конечного промежутка времени.

В зависимости от характера передаваемых сообщений системы связи делят на системы передачи непрерывных сообщений и сис­темы передачи дискретных сообщений.

К системам передачи дискретных сообщений относится систе­ма телеграфной передачи — самый старый вид электрической свя­зи.

Изобретателем и творцом электрического телеграфа был наш соотечественник член-корреспондент Петербургской Академии наук

П. Л. Шиллинг. Построенная им в 1832 г. линия телеграфной свя­зи содержала многие элементы, использованные в последующих более совершенных системах. Так, например, им был предложен первый телеграфный код — основа всех систем передачи дискрет­ных сообщений.

Продолжателем работ П. Л. Шиллинга в области телеграфии был другой выдающийся русский ученый академик Б. С. Якоби — изобретатель первого в мире буквопечатающего аппарата (1850г.). Им же впервые осуществлена передача телеграфных сигналов по одному проводу, разработан принцип синхронной передачи, ис­пользована телеграфная трансляция, т. е. многое из того, что до настоящего времени широко используется в системах передачи ди­скретных сообщений.

В 1837 г. американец Морзе разработал свою систему теле­графного аппарата, которая с различными усовершенствованиями применялась более 100 лет. Большой вклад в развитие телеграф­ной техники внесли американец Юз, англичанин Уитстон, француз Бодо. Разработанная ими в 60—80 годах прошлого века аппара­тура применялась на телеграфной сети в царской России. После Великой Октябрьской социалистической революции те­леграфная техника в нашей стране начала быстро развиваться и достигла значительных успехов. В 1929 г. А. Ф. Шориным, а в 1931 г. Л. И. Тремлем были сконструированы простые и удобные буквопечатающие телеграфные аппараты, затем был разработан аппарат СТ-35, усовершенствованные конструкции которого при­меняются и в настоящее время. Инженеры А. Д. Игнатьев, Л. П. Турин, Г. П. Козлов и В. И. Керби разработали многократные бы­стродействующие телеграфные аппараты для радиосвязи.

Развитие оконечной телеграфной аппаратуры идет по пути ав­томатизации процессов передачи и приема, увеличения скорости передачи на базе внедрения электроники вместо электромеханиче­ских устройств.

Одновременно с совершенствованием оконечной телеграфной аппаратуры происходил переход от передачи по физическим цепям к более совершенным в технико-экономическом отношении спосо­бам передачи по каналам систем уплотнения. Были разработаны и непрерывно совершенствовались системы тонального телеграфи­рования, в последние годы появились системы телеграфирования, базирующиеся на импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).

Развиваются и методы коммутации. На смену ручному пере­приему телеграмм пришел полуавтоматический метод, а затем ав­томатическая коммутация каналов; в последнее время для целей коммутации начинают применяться электронно-вычислительные машины (ЭВМ).

К системам передали дискретной информации относится и са­мый молодой вид электрической связи – передача данных. Согласно определению МККТТ передача данных (ПД) — это область электросвязи, целью которой является передача информации для ее обработки электронными вычислительными машинами (ЭВМ) или уже обработанной ими.

Передача данных предусматривает передачу информации от различных источников — телеграфных аппаратов, трансмиттеров, датчиков, накопителей на магнитных лен­тах (НМЛ), магнитных барабанах (НМБ), магнитных дисках (НМД) к ЭВМ, от ЭВМ к различным приемникам информации— реперфораторам, печатающим устройствам, устройствам отобра­жения, графопостроителям, НМЛ, НМБ, НМД и т. п., а также пе­редачу данных между ЭВМ. Развитие ПД в значительной степени определяется темпами роста числа ЭВМ, совершенствованием юг характеристик и расширением областей использования.

Можно назвать следующие основные тенденции развития ЭВМ:

— бурный количественный рост (если в 1950 г. число ЭВМ со­ставляло несколько десятков, то в 1970 г. их было несколько де­сятков тысяч, а к 1975 г. планируется увеличение до сотен тысяч);

— резкое увеличение быстродействия (от нескольких сотен опе­раций в секунду в 1950 г. до нескольких миллионов операций в се­кунду в настоящее время с перспективой увеличения до десятков и сотен миллионов операций в секунду);

Увеличение потребности народного хозяйства и населения в передаче телеграфных сообщений послужило толчком к развитию каналообразующей телеграфной аппаратуры, с помощью которой по стандартному каналу тональной частоты стало возможным пе­редавать до нескольких десятков телеграфных сообщений.

В процессе развития автоматизировалась не только оконечная телеграфная аппаратура, но и коммутационная. Были созданы ав­томатические узлы коммутации каналов и сообщений, позволяю­щие организовать временные соединения оконечных телеграфных пунктов. Сеть, на которой осуществлялось прямое временное соединение двух оконечных пунктов, получила название сети прямых соединений (ПС). На сети ПС используются станции коммутации каналов (КК). В результате стали развиваться сети пере­дачи данных. Однородность сигналов, которыми передаются теле­графная и машинная информация, позволяет использовать одну и ту же телеграфную сеть. Машинная информация получила назва­ние данных, а соответствующая сеть — сеть передачи данных (ПД). Соответственно появились и объединенные коммутацион­ные станции АТ—ПС—ПД, в которые включаются оконечные пункты (ОП) СОП, пункты абонентского телеграфа (АТ) и або­нентские пункты (АП) ПД. Для обмена машинной информацией скорость передачи телеграфных сообщений 50—100 Бод недоста­точна. В связи с этим на сети передачи дискретной информации на всех участках тракта стала внедряться аппаратура, допускающая скорость работы 200 Бод и выше.

Телеграфия с самого начала представляла импульсную, дискретную, цифровую. Параллельно импульсной телеграфии развивалась аналоговая связь. Физические основы фототелеграфии те же, что и у телеви­дения — преобразование световой энергии в электрическую с по­мощью фотоэлементов с внешним фотоэффектом, открытым А. Г. Столетовым. В Советском Союзе первая линия фототеле­графной связи Москва—Берлин была открыта в 1927 г. с использо­ванием немецкой аппаратуры. На рубеже 30-х годов была опробо­вана идея передачи газет фототелеграфным способом из Москвы в Ленинград. В 1930 г. выпущен первый отечественный фототелеграфный аппарат БТОР. Затем появились более совершенные аппараты ЗФТ-А4 (1936 г.), ФТ-37 (1938 г.), которые работали на радиолиниях Москва—Владивосток, Москва—Ташкент и др.

Развитие фототелеграфии позволило создать к настоящему времени достаточно разветвленную сеть факсимильной связи общего пользования и сеть передачи газетных полос. На базе ком­мутируемой телефонной сети развивается абонентская факсимиль­ная связь. Факсимильные аппараты широко внедряются в низовом звене телеграфной сети для передачи телеграмм из отделения связи на Центральный телеграф (ЦТ). На основе использования факсимильной техники развивается «электронная почта». Во мно­гих странах успешно развивается факсимильная связь издательств с удаленными пунктами, в которых воспроизводится их продук­ция. При этом используются не только земные средства связи, но и космические — через искусственные спутники Земли (ИСЗ). В СССР первая факсимильная связь через ИСЗ «Молния-1» была осуществлена в 1965 г.

В общем случае под информацией понимают совокупность сведений о каких-либо событиях, явлениях или предметах.

Сообщение - это информация, представленная в определенной конкретной форме. Одна и та же информация может быть передана с помощью разных сообщений. Например, информация о часе приезда вашего приятеля может быть передана по телефону или в виде телеграммы. В первом случае мы имеем дело с информацией, представленной в непрерывном виде (непрерывное сообщение). Будем считать, что это сообщение вырабатывается некоторым источником - в данном случае источником непрерывных сообщений. Во втором случае - с информацией, представленной в дискретном виде (дискретное сообщение). Это сообщение вырабатывается источником дискретных сообщений.

При передаче сообщений по телеграфу информация заложена в буквах, из которых составлены слова, и цифрах. Очевидно, что на конечном отрезке времени число букв или цифр, называемых в дальнейшем символами, является конечным. Это и является отличительной особенностью дискретного или счетного сообщения. В то же время число различных возможных значений звукового давления, измеренное при разговоре, даже на конечном отрезке времени будет бесконечным. В дальнейшем будем рассматривать только вопросы передачи дискретных сообщений.

Информация, содержащаяся в сообщении, передается получателю по каналу передачи дискретных сообщений (ПДС) (рис.1.1). Рассмотрим основные характеристики тракта передачи, в состав которого входят канал ПДС, источник (ИС) и получатель (ПС) дискретных сообщений.

Канал ПДС

(система ПДС)

ИС

ПС

Рис.1.1

Источник дискретных сообщений характеризуется алфавитом передаваемых сообщений A. Пусть объем этого алфавита (число символов алфавита) K, а вероятность выдачи символа a_i A (1 i K) равна p(a_i).

Количество информации в сообщении (символе) определяется в битах - единицах измерения количества информации. Было предложено определять количество информации на одно сообщение a_i выражением

I(a_i) = .

Среднее количество информации H(A), которое приходится на одно сообщение источника независимых сообщений

.

Определенное таким образом среднее количество информации называется энтропией источника дискретных сообщений. Энтропия максимальна, если символы источника появляются независимо и с одинаковой вероятностью.

Определим энтропию источника сообщений, если K=2 и p(a₁)=p(a₂)=0,5. Тогда

.

Отсюда 1 бит - это количество информации, которое приходится на один символ источника дискретных сообщений в том случае, когда алфавит источника состоит из двух равновероятных символов.

Среднее количество информации, выдаваемое источником в единицу времени, называют производительностью источника

H’(A)=H(A)/T (бит/с),

где T - среднее время, отведенное на передачу одного символа (сообщения).

Для каналов передачи дискретных сообщений вводят аналогичную характеристику - скорость передачи информации по каналу R. Она определяется количеством бит, передаваемых в секунду. Максимально возможное значение скорости передачи информации по каналу называется пропускной способностью канала и обозначается C.

Сообщение, поступающее от источника, преобразуется в сигнал, который является его переносчиком в системах ПДС. На приемной стороне сигнал преобразуется в сообщение. Система ПДС обеспечивает доставку сигнала из одной точки пространства в другую с заданными качественными показателями. Система передачи сообщений, в состав которой входят преобразователи сообщение-сигнал-сообщение, приведена на рис.1.2.

Преобразователь сообщения в сигнал

Система ПДС

Преобразователь

сигнала в сообщение

ИС

ПС

Рис.1.2

Различаются два вида дискретных сигналов: дискретный сигнал непрерывного времени и дискретный сигнал дискретного времени.

Дискретные сигналы непрерывного времени могут изменяться в произвольные моменты времени, но их величины принимают только разрешенные (дискретные) значения.

Дискретные сигналы дискретного времени (сокращенно дискретные) в дискретные моменты времени могут принимать только разрешенные (дискретные) значения.

Сигналы, формируемые на выходе преобразователя дискретного сообщения в сигнал, как правило, являются по информационному параметру дискретными, т.е. описываются функцией дискретного времени и конечным множеством возможных значений.

В технике передачи данных такие сигналы называют цифровыми сигналами данных (ЦСД). Рассмотрим далее основные определения, относящиеся к ЦСД.

Параметр сигнала данных, изменение которого отображает изменение сообщения, называется информационным параметром.

t

Рис.1.3

На рис.1.3 изображен ЦСД, информационным параметром которого является амплитуда, а множество возможных значений этого параметра равно двум (u=U₁ и u=0).

Часть цифрового сигнала данных, отличающаяся от остальных частей значением одного из своих информационных параметров, называется элементом ЦСД.

Фиксируемое значение состояния информационного параметра сигнала называется значащей позицией. Момент, в который происходит смена значащей позиции сигнала, называется значащим моментом (ЗМ). Интервал времени между двумя соседними значащими моментами сигнала называется значащим интервалом времени (ЗИ).

Минимальный интервал времени которому равны значащие интервалы времени сигнала, называется единичным интервалом (интервал а-б, б-в и другие на рис.1.3).

Элемент сигнала, имеющий длительность, равную единичному интервалу времени, называется единичным элементом (е.э.).

Различают изохронные и анизохронные сигналы данных. Для изохронного сигнала любой значащий интервал времени равен единичному интервалу или их целому числу. Анизохронными называются сигналы, элементы которых могут иметь любую длительность, но не менее, чем _мин. Другой особенностью анизохронных сигналов является то, что они могут отстоять друг от друга во времени на произвольном растоянии.