1.3.2. Сущность записи и съема информации с носителя.
Материализация (запись) любой информации производится путем изменения параметров носителя. Механизм запоминания и воспроизведения информации человеком в настоящее время еще недостаточно изучен и нет однозначного и ясного представления о носителях информации в мозгу человека. Рассматривается химическая и электрическая природа механизмов запоминания. Запись информации на материальные тела производится путем изменения их физической структуры и химического состава. На бумаге информация записывается путем окрашивания элементов ее поверхности типографской краской, чернилами, пастой и другими красителями.
Записанная на материальном теле информация считывается при последовательном просмотре поверхности тела зрительным анализатором человека или автомата, выделении и распознавании ими знаков, символов или конфигурации точек. Для людей, лишенных зрения, информация записывается по методу Бройля путем изменения физической структуры бумаги выдавливанием соответствующих знаков (букв и цифр). Информация считывается не зрительным анализатором, а тактильными рецепторами пальцев слепых людей. Запись информации на носители в виде полей и электрического тока осуществляется путем изменения их параметров. Непрерывное изменение параметров сигналов в соответствии со значениями первичного сигнала называется модуляцией, дискретное - манипуляцией. Первичным является сигнал от источника информации. Если меняются значения амплитуды аналогового сигнала, то модуляция называется амплитудная, частоты - частотная, фазы - фазовая. Частотная и фазовая модуляция мало различаются, поскольку при фазовой модуляции меняется непосредственно фаза, а при частотной ее первая производная по времени - частота.
При модуляции дискретных сигналов в качестве модулируемых применяются и другие параметры: длительность импульса, частота его повторения и др. С целью уплотнения информации на носителя и экономии тем самым энергии носителя применяют сложные (с использованием различных параметров сигнала) виды модуляции. Модулируемое колебание называется несущим.
В соответствии с формулой Фурье изменение формы сигнала при модуляции приводит к изменению спектра модулированного сигнала. Чем выше максимальная частота спектра моделирующего сигнала Fc,м, тем шире спектр модулированного сигнала. Количественное значение увеличения ширины спектра этого сигнала зависит от вида модуляции и ширины спектра модулирующего (первичного) сигнала. Ширина модулированного синусоидального сигнала составляет величину [44]:
- для АМ: Fам=2Fс,м ;
- для ЧМ: FчмFс, м;
- для ФМ: FфмFчм.
Для радиовещания ширина спектра ЧМ-сигнала составляет порядка 150 кГц вместо около 7 кГц для АМ речевого сигнала. Поэтому ЧМ не применяют из-за «тесноты» в эфире в длинноволновом, средневолновом и даже коротковолновом диапазонах волн. ЧМ вещание ведется в УКВ диапазоне. Так как действие помех проявляется, прежде всего, в изменении амплитуды сигнала, которая при АМ несет информацию, то ЧМ-сигналы обладают существенно большей помехоустойчивостью, чем АМ-сигналы. Это свойство ЧМ-сигналов обеспечивает высокое качество радиовещания в УКВ диапазоне. Спектры ФМ- и ЧМ-сигналов мало отличаются по ширине.
Выделение информации из модулированного электрического сигнала производится путем обратных преобразований - демодуляции его в детекторе (демодуляторе) приемника. При демодуляции выделенного и усиленного радиосигнала, наведенного электромагнитной волной в антенне, преобразуется таким образом, что сигнал на выходе детектора соответствует модулирующему сигналу передатчика. Демодуляция, как любая процедура распознавания, обеспечивается путем сравнения текущего сигнала с эталонным.
Способы выполнения этой процедуры для разных видов демодуляции существенно различаются. При демодуляции АМ-сигналов в качестве эталонной амплитуды используется усредненная амплитуда несущего колебания на выходе детектора, при ЧМ-модуляции - частота настройки контура детектора, ФМ-модуляции - фаза опорного колебания, синфазного с колебаниями несущей частоты.
Полного соответствия модулирующего и демодулированного сигналов из-за влияния помех добиться нельзя. В общем случае любые преобразования сигнала ухудшают качество записанной в нем информации, так как при этом оказываются воздействия на его информационные параметры, которые могут привести к потере информации. Но при достаточной большом превышении мощности носителя над мощностью помех искажения будут столь незначительные, что на качество информации помехи практически не влияют. Полная идентичность исходного и демодулированного сигналов обеспечивается при бесконечно большом отношении сигнал/помеха.
Помехоустойчивость дискретных сигналов выше, чем аналоговых, так как искажения дискретных сигналах возникают в тех случаях, когда изменения параметра сигнала превышают половину величины интервала между соседними значениями параметра. Если изменения параметров помехами составляют менее половины этого интервала, то при приеме такого сигнала можно восстановить исходное значение параметра сигнала. Допустимое значения отношения мощностей или амплитуд сигнала и помехи (сокращенно - отношение сигнал/помеха), при которых обеспечивается требуемое качество принимаемой информации, определяются видом информации и характером помех.
Для повышения достоверности передачи информации наряду с обеспечением наряду с увеличением энергетики переносчика информации используют другие методы защиты дискретной информации от помех, прежде всего, помехоустойчивое кодирование. При помехоустойчивом кодировании каждому элементу дискретной информации (букве, цифре, любому другому знаку) ставится в соответствие кодовая комбинация, содержащая дополнительные (избыточные) символы. Эти дополнительные символы позволяют обнаруживать искажения и исправлять в зависимости от избыточности кода ошибочные символы различной кратности. Существует большое количество видов кодов, повышающих помехоустойчивость сообщений для различных условий среды распространения носителей. Однако следует иметь, что платой за повышение помехоустойчивости кодированных сигналов является уменьшение скорости их передачи.
Любое сообщение в общем случае можно описать с помощью трех основных параметров: динамическим диапазоном Dс, шириной спектра частот Fс и длительностью передачи Тс. Произведение этих трех параметров называется объемом сигнал Vс=Dc FсTс. В трехмерном пространстве объем сигнала можно представить в виде параллелепипеда (см. рис. 1.9).
Рис. 1.9. Графическое представление объема сигнала.
Для обеспечения неискаженной передачи сообщения объемом Vс, необходимо чтобы характеристики среды распространения и непосредственно приемника соответствовали ширине спектра и динамическому диапазону сигнала. Если полоса частот среды распространения или приемника уже полосы сигнала, то для обеспечения безискаженной передачи сигнала объемом Vс уменьшают его ширину спектра. При этом для сохранения Vс=const соответственно увеличивают время передачи Тc. Для безискаженной передачи сообщения в реальном масштабе времени полоса пропускания приемника должна соответствовать ширине спектра сигнала.