2570

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Л.Н. Никитин

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕДАЧИ И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2015

ВВЕДЕНИЕ

Бурное развитие устройств сбора, передачи и обработки данных обусловило высокую эффективность и достоверность передаваемого на большие расстояния информационного продукта, позволило создавать и развивать новые информационные технологии, обеспечить экономическую эффективность используемых информационных систем. Основная цель учебного пособия «Современные технологии передачи и обработки данных» заключается в формировании у будущих специалистов единого подхода к анализу и синтезу коммуникационных систем различного назначения и их оптимизации на основе теории информации и статистической теории связи. При изучении дисциплины «Системы передачи и обработки данных» главное внимание уделяется принципам построения систем проводной и беспроводной передачи информации с последующей ее обработке и передаче с высокой достоверностью заказчику.

Независимо от целевого назначения любая коммуникационная система представляет собой сложные технические комплексы, в основу которых положены новейшие достижения науки и техники. Все это предъявляет повышенные требования к уровню подготовки специалистов по всем видам систем передачи и обработки данных. Они должны не только уметь разрабатывать ту или иную систему по заданным техническим требованиям, но и должны знать, достаточно ли полно в этой системе реализованы все её потенциальные возможности.

Без дальнейшего совершенствования систем передачи и обработки данных невозможно ускорение научно – технического процесса, подъема экономики, роста производительного труда и повышения материального и культурного уровня народа. Вот почему будущему инженеру по специальности 200100.62«Приборостроение» важно освоить данную дисциплину и уметь на практике применить полученные знания.

Остановимся кратко на истории развития систем передачи и обработки данных. Система телеграфной связи с помощью

3

электрического тока впервые была предложена и практически реализована русским ученым Павлом Львовичем Шиллингом в 1832 году. Им же был впервые разработан телеграфный код [1].

В 1837 году, американец С.Морзе разработал свою телеграфную систему связи, телеграфный аппарат и специальный код, учитывающий статистику появления букв в английском языке.

В1867 г. англичанин Уитсон разработал телеграфный аппарат снабженный трансмиттером, осуществляющим автоматический ввод телеграфного сообщения с перфоленты. Тогда же были разработаны перфораторы и реперфораторы.

В1874 г. французом Э. Бодо был построен многократный телеграфный аппарат, с помощью которого по одной цепи передавалось несколько сообщений.

В1870 г. Петербург и Москва были связаны воздушными телеграфными линиями связи, а затем телеграфная связь появилась на Кавказе, в Сибири и на Дальнем Востоке.

Развитие телефонии началось с изобретения в 1876 году Беллом телефона. В 1879 г. русским инженером М. Махальским был предложен угольный микрофон. Вскоре был сконструирован телефонный аппарат, включающий в себя как разговорные, так и вызывные приборы.

В1887 г. русским инженером К. Москицким был изобретен коммутатор, явившийся первым шагом на пути автоматизации телефонных связей и создания автоматических телефонных станции.

Начало рациональному использованию линий связи было положено Г.И. Mopoзовым, который в I869 г. предложил передавать но одной паре проводов несколько телеграфных сигналов токами различных частот.

Одновременное телефонирование и телеграфирование на основе частотного разделения сигналов было осуществлено в 1880 г. по предложению военного связиста Г. Г. Игнатова. С 1895 года начинается развитие радиотехнических систем после изобретения А.С. Поповым радио. Первоначально был освоен радиотелеграф, который связал города, страны и материки, заменив во многих

4

случаях использование дорогостоящих кабелей, содержащих медь, серебро и даже золото.

В1899 году А.С. Попов, П.Н. Рыбкин и Д.С. Троицкий открыли слуховой метод приема и создали первый радиотелефонный приемник.

В1911 году была впервые установлена двухсторонняя радиотелеграфная связь между землей и самолетом.

В1915 году В.И. Коваленковым был изобретен двухсторонний усилитель, который позволил решить важнейшую проблему увеличения дальности телефонной связи токами тональной частоты.

В30-е же годы прошлого столетия было создано опытное телевидение и заложены основы радиорелейной связи. В эти же годы появляются различные коммуникационные системы на базе серьезных теоретических исследований.

Воснову построения таких коммуникационных систем была положена теория информации, которая изучает закономерности связанные с передачей сигналов по каналам со случайными помехами. В свою очередь полезный сигнал есть тоже случайный процесс. Поэтому создание коммуникационных систем немыслимо без применения вероятностно-статистических методов и теории случайных процессов.

Первые публикации по теории случайных процессов появились

в30-х годах 20 века. Их авторами были отечественные ученые А.Н. Колмогоров и А.Я. Хинчин.

В1949 году К. Шеннон в книге «Статистическая теория передачи электрических сигналов»[2] дополнил исследования В.А. Котельникова в этой области.

В1951 году появляются работы В.И. Бунимовича, которые легли в основу статистической радиотехники, как теория флуктуационных процессов.

Применение методов теории информации и теории случайных процессов позволило эффективно решать многие радиотехнические задачи.

С запуском первого искусственного спутника Земли 4 октября 1957 года начинается важнейший этап в развитии систем передачи

5

информации, радиолокации, радионавигации, радиоуправления и телевидения.

Уже в 1961 году создаются первые системы нового типа – многоканальные радиолинии большой протяженности, включающие

всебя системы передачи обработки данных.

С1967 года начинается эра цветного телевидения в нашей

стране.

Важным этапом в развитии космических радиотехнических систем явилась разработка космической системы радиоуправления, которая в 1970 году позволила высадить на Луну отечественный управляемый аппарат «Луноход – 1».

Вдальнейшем широко осуществлялись программы изучения планет - Венера, Марс и др. с помощью космических радиотехнических систем.

Значительный вклад в развитие теории и практики систем передачи и обработки данных внесли такие отечественные ученые, как В.А. Котельников, А.А. Харкевич, А.Н. Колмогоров, В.А. Б.Р. Левин, В.В. Марков, В.И. Тихонов, М.С.Ярлыков, М.П. Долуханов и другие.

Взаключение, следует отметить, что системы передачи и обработки данных должны обеспечить оптимальный путь доставки сообщения, исходя из занятости каналов, приоритета и категории срочности. На отдельных участках могут использоваться различные, так называемые, составные каналы связи. Поэтому большое значение приобретают унификация и стандартизация каналов связи с различной физической средой.

Успешное претворение в жизнь задач, стоящих в настоящее время перед Россией, во многом зависят от правильного научного и технического решения разрабатываемых систем передачи и обработки данных. В этом могут и должны оказывать большую помощь в том числе и выпускники нашего ВГТУ.

6

1.ОБОБЩЕННАЯ СХЕМА СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ

ИОБРАБОТКИ ДАННЫХ

1.1.Сообщение, сигнал, канал, система связи

Под связью понимается передача информации от отправителя (источника) к получателю. В дальнейшем будем рассматривать виды связи, при которых передача информации осуществляется электрическими сигналами светом и т.п. Слово информация латинское и переводится как "сведения". Применительно к связи под информацией понимают те сведения, которые являются объектом передачи, обработки и хранения. Само понятие информации неотделимо от понятия системы, например, управления или связи. Применительно к таким системам информация есть не что иное, как новые сведения об объекте управления или связи, которые заключены в передаваемом сообщении. Сбор информацииэто деятельность субъекта, в ходе которой он получает сведения об интересующем его объекте.

Сбор информации может производиться или человеком, или с помощью технических средств и систем - аппаратно. Например, пользователь может получить информацию о движении поездов или самолетов сам, изучив расписание, или же от другого человека непосредственно, либо через какие-то документы, составленные этим человеком, или с помощью технических средств (автоматической справки, телефона и т.д.). Задача сбора информации не может быть решена в отрыве от других задач, - в частности, задачи обмена информацией (передачи).

Сообщением называют совокупность сведений о состоянии некоторого материального объекта. Для передачи сообщения на расстояние необходимо применить какой-либо физический процесс, в изменений параметров которого было бы заключено сообщение. Преобразованный к такому виду физический процесс называется сигналом, Таким образом, передача сообщений от отправителя (источника) к получателю осуществляется с помощью сигналов, которые

7

являются материальными переносчиками информации в системе передачи и обработки данных.

В самом общем случае система передачи и обработки данных - это часть системы управления, представляющая собой организационно-техническое объединение сил и средств связи, предназначенная для обмена сообщениями между абонентами.

абонентские устройства типа телефонных и телеграфных аппаратов, дисплеев, передающих камер в телевидении и др.

Обобщенная структурная схема системы связи (системы передачи и обработки данных) показана на рис. 1.1. Здесь абоненты обозначены как источник и получатель сообщений.

Рис. 1.1

Процесс передачи сообщения от источника к получателю осуществляется следующим образом. Сообщение поступает от источника в передатчик, в котором осуществляется его преобразование в электрический сигнал, удобный для передачи по линии связи. На другой стороне в приемнике производится обратное преобразование электрического сигнала в исходное сообщение. В идеальном случае так оно и происходит. Однако, реально на передаваемый сигнал в линии связи, да и в самих передатчике и приемнике, действуют сторонние возмущения, которые его искажают. Все эти сторонние возмущения называется помехами. Их условно включают в источник помех.

В связи с действием помех на приемник поступит искаженный сигнал, который после обратного преобразования будет превращен в сообщение. Степень совпадения передаваемого и принятого сооб-

8

щения будет определяться характером и интенсивностью помех в канале связи.

Каналом связи (каналом передачи) называется совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающая при подключении абонентских оконечных устройств передачу сообщений от источника к получателю. Канал связи в зависимости от вида передаваемых сообщений может называться телефонным, телеграфным, телевизионным и др. В его состав входит линия связи, которая и представляет собой среду распространения сигналов. Это может быть либо проводная линия (пара проводов, кабель, волновод), либо радиолиния. Радиолиния включает в себя средства радиосвязи, а также область пространства, в котором распространяются радиоволны от передатчика к приемнику.

Системой связи (системой передачи) называется совокупность технических средств и среда распространения, обеспечивающая формирование каналов связи и передачу по ним различного рода сообщений между абонентами.

Наиболее дорогостоящей частью системы связи является линия связи, поэтому ее стараются использовать наилучшим образом. Это достигается либо увеличением скорости передачи, либо одновременной передачей по линии нескольких независимых сообщений. В последнем случае система связи называется многоканальной. Такая система требует специальной каналообразующей аппаратуры для формирования, а затем разделения сигналов отдельных сообщений на приемной стороне по некоторым отличительным признакам (частотным, временным и др.).

Любая система связи характеризуется несколькими показателями, главными из которых является пропускная способность, достоверность передачи и помехоустойчивость.

Пропускная способность характеризует максимальную скорость передачи информации, которая может быть достигнута при условии, что канал связи не вносит искажений и ошибок.

Достоверность передачи определяется степенью искажения сигнала, т.е. тем, насколько принятый сигнал соответствует переданному.

9

Помехоустойчивость характеризует способность системы связи противостоять вредному действию помех при передаче сообщений.

Рассмотрим первоначально обобщенные физические характеристики сигналов, которые являются материальным носителем сообщений. Ранее уже отмечалось, что сообщение - это то, что подлежит передаче. В качестве сообщения может выступать речь, музыка, письменный текст, цифровые данные, телевизионное изображение и т.п. Уже из этого перечня сообщений видно, что одни сообщения являются непрерывными (речь, музыка), а другие - дискретными (текст, цифры). Источником и получателем сообщений могут быть человек, автомат, электронно-вычислительная машина и т.п. Для того чтобы передать сообщение на расстояние, необходимо преобразовать его в некоторый физический процесс, параметры которого изменялись бы по закону передаваемого сообщения. Таким образом, сигнал есть процесс, отображающий сообщение в форме определенного электрического возмущения. Это позволяет по принятому сигналу восстановить переданное сообщение.

Необходимо четко усвоить, что сигналом является не сам физический процесс, а изменяющиеся его параметры, которые определяются характером самого сообщения. Рассмотрим, каким образом формируется непрерывные и дискретные сигналы.

В качестве непрерывного сообщения может выступать звуковое давление, яркость свечения и т.п., которые изменяют свои значения на определенном интервале времени. Сообщения такого типа преобразуются в оконечных абонентских устройствах в электрический первичный сигнал. Так при формировании речевого сигнала в качестве электроакустического преобразователя используется микрофон, который превращает звуковые колебания речи в низкочастотный непрерывный электрический сигнал (видеосигнал). На небольшие расстояния этот сигнал может передаваться непосредственно по линиям телефонной связи. Однако, если речевой сигнал необходимо передавать на значительные расстояния, то его необходимо преобразовать в высокочастотный сигнал (радиосигнал). В этом случае этот сигнал передается по кабелю или радио.

10