1.3. Структура систем передачи информации.

Система передачи информации – это совокупность технических средств (передатчик, пиемник, линия связи), которые обеспечивают возможность передачи информационных сообщений от источника информации к получателю. Система передачи информации (ее еще называют системой связи) может быть как однонаправленной - симплексной (радиовещание, пейджер, телевидение), так и двунаправленной (сотовая связь, радиорелейная связь) – полудуплексный режим (когда передача данных может осуществдяться в обоих направлениях, но поочередно), дуплексный режим (когда передача данных происходит одновременно в обоих направлениях, но только между двумя пунктами), и расширенный дуплексный режим (передача данных возможно одновременно в двух направлениях, но между различными пунктами, то есть, один абонент передает информацию второму, и одновременно получает информацию от третьего). Последний режим возможен только в многоканальных Многоканальная система связи использует одну линию связи для передачи информации от группы источников, расположенных в одном пункте, к группе получателей информации, расположенных в другом пункте.

На первом этапе развития систем передачи информации были системы аналогового типа. Это связано с тем, что большинство физических источников информации вырабатывает аналоговый информационный сигнал, например, микрофон для преобразования человеческой речи в электрический сигнал, сенсоры для различных физических величин и др. Задача системы передачи информации – перенести этот сигнал на заданное расстояние к получателю информации. Структура аналоговой системы передачи информации представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Структурная схема аналоговой системы передачи информации.

В информационных системах источником информации могут быть люди, технические объекты (сенсоры, индикаторы), а также терминалы под управлением операторов и др. Сообщением называется информация, выраженная в определенной форме, и подлежащая передаче. Информационный параметр сообщения – это параметр, в изменении которого заложена информация. Например, для звуковых сообщений информационным параметром является мгновенное значение звукогого давления, для неподвижных изображений – коэффициент отражения от поверхности, для подвижных – яркость свечения объекта. Сообщение для передачи предварительно преобразуется в сигнал (электрический или оптический). Так, на схеме 1.2, на графике вверху слева показан пример аналогового информационного сигнала S(t).

Первичный электрический информационный сигнал передается непосредственно только по телефонным линиям связи. Для остальных систем передачи информации этот низкочастотный сигнал следует превратить во вторичный (высокочастотный сигнал). Именно этот высокочастотный сигнал (электрический или оптический) используется для передачи в соответствующей линии связи. Для преобразования исходного сигнала во вторичный, как показано на рис. 1.2, существуют:

• генератор высокой частоты (ГВЧ), который генерирует электрические колебания высокой частоты (ее называют – несущей частотой f_H ) и с постоянной аплитудой (см. рис. 1.2).

• модулятор, в котором происходит модуляция эл. тока ГВЧ низкочастотным информационным сигналом (см. рис. 1.2). При этом амплитуда высокочастотного тока от ГВЧ изменяется в соответствии с информационным сигналом, как показано на графике сигнала после модулятора (рис. 1.2).

Модулированный высокочастотный электрический сигнал передается в передатчик, где он усиливается, и передается в антенну. В антенне он превращается в электромагнитную волну такой же частоты и формы, которая распространяется в пространстве. Передатчик обеспечивает требуемую мощность излучения антенной, необходимую для получения заданной дальности связи. Так, в сотовых телефонах используется несущая частота 900 МГц и мощность передатчика 2Вт , что при использовании ненаправленных антенн обеспечивает дальность связи от 2 - 25 км.

Линией связи (в этом случае – безпроводной радиосвязи) является атмосфера, (среда), по которой распространяются радиоволны. При этом на линию связи воздействуют помехи разных видов, что приводит к искажению сигнала. Условия распространения электромагнитных волн разных длин волн в атмосфере различные для разных длин электромагнитной волны, , которая связана с несущей частотой f_H и скоростью света с формулой:  = с / f_H .

В приемнике происходит преобразование электромагнитной волны в высокочастотный электрический информационный сигнал (в антенне) и усиление сигнала. При этом сигнал в приемнике отличается от информационного сигнала в передатчике за счет помех, воздействующих на него на линии саязи, а также за счет шумов электронике в самом приемнике.

После приемника сигнал попадает в демодулятор, в котором происходит демодулирование сигнала, то есть, выделение низкочастотного информационного сигнала (с помехами и шумами) из модулированного высокочастотного сигнала. Обычно, для этой цели используются детекторы разных типов. Демодулированный сигнал – это исходный информационный сигнал, искаженный шумами и помехами, не тождественен исходному сигналу.

Получатель сообщений – это конечный пункт назначения системы передачи информации. Здесь может проводиться дополнительная обработка переданного сигнала с целью очищения его от шумов и помех, а также с целью дополнительного анализа его свойств.

Цифровые системы передачи информации (ЦСПИ).

Широкое распространение ЦСПИ связано с развитием и широкой применимостью устройств цифровой обработки сигналов – микроконтроллеров и сигнальных процессоров. Структурная схема цифровой системы передачи информации, а также преобразования сигналов, представлена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Структура цифровой системы передачи информации.

Здесь, как и в предыдущей схеме, существует источник аналогового сигнала, после которого стоит аналого–цифровой преобразователь (АЦП), в котором аналоговый сигнал превращается в цифровой сигнал (см. раздел 3). Его технической реализацией являются короткие однополярные (или двухполярные) электрические импульсы квантованной амплитуды. Иногда такую оцифровку сигналов называют термином «кодирование источника информации». При оцифровке аналогового сигнала уменьшается обьем сообщения (данных) – уменьшается его избыточность. То есть, происходит сжатие данных. До какой степени можно уменьшить объем информационного сигнала без потери его информативности? Этот тоже обсуждается в разделе 3.

После АЦП цифровой сигнал поступает в кодируюшее устройство (КУ), в котором выполняется кодирование сигнала в двоичной системе счисления. После этого, в особо ответственных случаях, дополнительно выполняется помехоустойчивое кодирование сигнала.

При кодировании в двоичной системе счисления используются два элементарных сигнала, технически легко реализуемые. Обычно, одним элементарным сигналом является посылка напряжения или тока постоянной амплитуды, соответствующая «1» в двоичной системе счисления. Вторым элементарным сигналом является отсутствие напряжения или тока, что соответствует «0» в двоичной системе счисления. На рис. 1.4 показаны преобразования исходного аналогового сигнала сначала в цифровой, а потом – в двоичный код с числом двоичных символов, равным двум (двоичное кодирование).

Рис. 1.4. Преобразование сигнала из аналогового (а), в цифровой (б), и в двоичный код (в) с числом двоичных символов N = 2.

На схеме 1.3 показаны соответствующий сигнал (исходный аналоговый), и его преобразования (после АЦП и КУ).

В кодирующем устройстве после двоичного кодирования сигнала иногда выполняется помехоустойчивое кодирование сигнала.

Что такое помехоустойчивое кодирование сигнала? КУ увеличивает надежность передачи сигнала посредством канала связи. Для этого вводятся дополнительные контрольные разряды, с помощью которых можно обнаруживать и исправлять ошибки, возникающие при передаче информации по каналу. Такое помехоустойчивое кодирование информации позволяет передачу огромных объемов информации, а также создавть накопители информации огромной емкости (сотни и тысячи терабайт и более). Принципы и элементы такого кодирования мы не излагаем в нашем курсе.

Все остальные элементы передающего тракта (ГВЧ, модулятор, передатчик) – такие же, как и в схеме 1.2. Отличие в том, что модулированный сигнал представляет собой или отсутствие сигнала («0»), или его присутствие («1»). На схеме 1.3 показан отрезок такого модулированного сигнала.

Линия связи в ЦСПИ та же, что и в предыдущем случае, и так же подвержена помехам. В отличие от аналоговой системы связи, ЦСПИ имеет высокую помехоустойчивость, так как остутствие или наличие импульса можно определять при большом уровне помех и шумов. Кроме того, помехоустойчивое кодирование каналов связи увеличивает надежность передачи информации в ЦСПИ.

В приемном тракте приемник и демодулятор (ДМ) имеют те же функции, что и на схеме 1.2. При этом на рис. 1.3 показаны последовательно модулированный сигнал в приемнике, а также двоичный имульсный сигнал после демодулятора.

Декодирующее устройство (ДКУ) осуществляет функцию декодирования двоичного импульсного сигнала в исходный цифровой сигнал, технически реализованный в виде коротких электрических импульсов квантованной амплитудой. Сигнал после ДКУ показан на схеме 1.3. При декодировании одновременно обнаруживаются и исправляются ошибки в сигнале, если проводилась процедура помехоустойчивого декодирования.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) осуществляет обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый. Описание его характеристик излагается в разделе 3. Аналоговый сигнал после ЦАП показан на схеме 1.3.

Таким образом, на схеме 1.3 показаны последовательные прекращения аналогового исходного сигнала по мере прохождения всех компонент ЦСПИ.

Ниже описываются основные характеристики сигналов, каналов передачи, и линий связи, которые важны для эффективной передачи информации. Напомним, что линия связи может обслуживать не один канал передачи информации, а несколько – так называемая многоканальная линия связи.