1. Элементы теории передачи информации
1.1. Информация, сообщение, сигнал
Понятие «информация» имеет много различных аспектов, и в связи с этим существует и несколько различных подходов к ее определению и оценкам (количественным, качественным и др.). Например, в философии принято считать, что информация есть отражение реального мира.
Исходя из специфики задач теории информации, академик А.А.Харкевич определил информацию как совокупность сведений о каком-либо событии, явлении, предмете и т.д., являющихся объектом хранения, передачи и преобразования [1]. Для выполнения указанных действий используют условные символы (знаки) -буквы, математические знаки, рисунки, жесты, слова и.т.п., позволяющие выразить информацию в необходимой форме. Совокупность знаков, которые используются для хранения, передачи и преобразования информации, называют сообщением. Так, при телеграфной передаче информация представляется в виде букв и цифр. Соответственно сообщением является текст телеграммы, представляющий последовательность этих знаков. В телефонных системах сообщением является речь - определенный набор звуков, отображающих не только содержание, но и интонацию, тембр, ритм и иные свойства речи. В различных технических системах информация представляется в двоичной форме, т.е. только двумя условными символами, например 1 и 0. Соответственно сообщением служит последовательность конечного числа двоичных символов. При передаче движущихся изображений в телевизионных системах сообщение представляет собой изменение во времени яркости элементов изображения.
Различают дискретные и непрерывные сообщения. Дискретные сообщения формируются в результате последовательной выдачи источником сообщений отдельных знаков. Множество различных знаков называют алфавитом источника сообщений, а их количество — объемом алфавита. Непрерывные сообщения не разделимы на элементы. Они описываются функциями времени, принимающими непрерывное множество значений. Типичными примерами непрерывных сообщений могут служить речь, телевизионное изображение.
Передача сообщений (а следовательно, и информации) на расстояние осуществляется с помощью какого-либо материального носителя (бумаги, магнитной ленты и т. п.) или физического процесса (звуковых или электромагнитных волн, тока и т. п.). Физический процесс, посредством которого сообщение передается на расстояние, называется сигналом.
В качестве сигнала можно использовать любой физический процесс, изменяющийся в соответствии с переносимым сообщением. В современных системах управления и связи чаще всего используют электрические сигналы. Физической величиной, определяющей такой сигнал, являются ток или напряжение. Сигналы формируются путем изменения тех или иных параметров физического носителя по закону передаваемых сообщений. Процесс изменения параметров носителя принято называть модуляцией.
Сообщения могут быть функциями времени, например речь при передаче телефонных разговоров, температура или давление воздуха при передаче телеметрических данных, спектакль при передаче по телевидению и т. п. В других случаях сообщение не является функцией времени (например, текст телеграммы, неподвижное изображение и т. д.). Сигнал является функцией времени, даже если сообщение таковым не является.
По своей природе сигналы могут быть электрическими, световыми, звуковыми и т.п. В системах телекоммуникаций (ТК) используются электрические и световые сигналы. Электрические сигналы получили наиболее широкое применение в системах ТК. Это связано с тем, что обработка электрических сигналов осуществляются гораздо проще с технической точки зрения, чем обработка сигналов другой физической природы. Поэтому при передаче сообщения неэлектрической природы предварительно преобразуются в электрические колебания с помощью преобразователей: микрофонов, передающих телевизионных трубок, датчиков температуры, давления т. п. Эти электрические колебания обычно называют первичными сигналами. Наряду с электрическими сигналами в системах ТК могут использоваться световые сигналы, передача которых на расстояние по волоконно-оптическим линиям связи может оказаться предпочтительнее, чем передача электрических сигналов.
Различают следующие виды сигналов [2]:
непрерывные по уровню и по времени (рис. 1.1, а);
непрерывные по уровню и дискретные по времени (рис. 1.1, 6);
дискретные (квантованные) по уровню и непрерывные по времени (рис. 1.1, в);
дискретные по уровню и по времени (рис. 1.1, г).
Сигналы первого вида (рис. 1.1, а), называемые непрерывными, задаются на конечном или бесконечном временном интервале и могут принимать любые значения в некотором диапазоне. Примером таких сигналов, называемых аналоговыми, являются сигналы на выходах микрофона, датчиков температуры, давления, положения и т. п.
Сигналы второго вида (рис. 1.1, 6) задаются в определенные дискретные моменты времени и могут принимать любые значения из некоторого диапазона. Их можно получить из непрерывных сигналов путем взятия отсчетов в определенные моменты. Это преобразование называется дискретизацией во времени. Шаг дискретизации Тд (промежуток времени между двумя соседними отсчетами) может быть как постоянным, так и переменным. Обычно его значение выбирают, исходя из допустимой погрешности при восстановлении непрерывного сигнала по конечному числу его отсчетов. Устройство, осуществляющее формирование дискретных отсчетов сигналов, называется дискретизатором.
Сигналы третьего вида (рис. 1.1, в), называемые квантованными по уровню, задаются на некотором временном интервале и характеризуются тем, что принимают только вполне определенные дискретные значения. Их можно получить из непрерывных сигналов, применяя к ним операцию квантования по уровню. В результате этой операции непрерывный сигнал заменяется ступенчатой функцией. Шаг квантования ∆а (расстояние между двумя соседними разрешенными уровнями) может быть как постоянным, так и переменным. Его обычно выбирают из условия обеспечения требуемой точности восстановления непрерывного сигнала из квантованного. Устройство, которое выполняет указанную операцию, носит название квантователя.
Сигналы четвертого вида (рис. 1.1, г), называемые дискретными, задаются в определенные дискретные моменты и принимают определенные дискретные значения. Их можно получить, например, из непрерывных сигналов, осуществляя операции дискретизации по времени и квантования по уровню. Такие сигналы легко представить в цифровой форме, т. е. в виде чисел с конечным числом разрядов. По этой причине их часто называют цифровыми [2,3].
Аналогичная классификация возможна и для сообщений.
Сообщения, подлежащие передаче, являются или случайной величиной, или случайной функцией. Детерминированные (заранее известные) сообщения не содержат информации, и нет смысла их передавать. Соответственно сигнал также следует рассматривать как случайный процесс. Детерминированные сигналы не несут информацию. В технике связи они используются для изучения свойств различных радиотехнических цепей.
Рис. 1.1.