1.4. Система передачи информации в пространстве. Телекоммуникационные системы

Первыми развитыми системами, работающими с сигналами, стали системы передачи сообщений (СПС) [7] (рис. 1.2). Сообщение – это некоторый образ, набор символов некоторого алфавита, отрезок кривой на графопостроителе и т.п., содержащий информацию о некотором объекте, источнике сообщения. Источник сообщений в общем случае является совокупностью источника информации (в частности, исследуемого или наблюдаемого объекта) и первичного преобразователя (датчика, человека-оператора и т.п.), воспринимающего сигналы этого объекта о его состояниях или протекающем в нем процессе. Различают дискретные A, A , < , и непрерывные С(t), С  R; t  (t₁,t₂), сообщения. Заметим еще раз: сообщение – не информация, а ее носитель.

Дискретные сообщения формируются в результате последовательной выдачи источником отдельных знаков a(t_i): A = a(t₁),a(t₂), …, a(t_n). То есть сообщение – это кортеж n элементов из некоторого множества{a_j}, j = 1,…, m, называемого алфавитом источника объемом m: m = {a_j}. В частности, знаками могут быть буквы естественного или искусственного языка, удовлетворяющие определенным правилам взаимосвязи. Распространенной разновидностью дискретных сообщений являются данные.

Рис. 1.2. Обобщенная схема системы симплексной передачи сообщений

Непрерывные сообщения С(t) не разделимы на элементы. Они описываются функциями времени, принимающими непрерывное множество значений. Типичными примерами непрерывных сообщений могут служить речь, изображение, передаваемое по телевизионному каналу, сигналы самописца в кардиографе. В большинстве систем связи непрерывные сообщения преобразуются посредством аналого-дискретных преобразователей (АЦП) с использованием операций дискретизации и квантования в дискретные с целью повышения качества передачи и удешевления средств передачи и обработки.

Для передачи сообщения по физической среде ему необходимо поставить в соответствие определенную совокупность сигналов {s_j(t)}, t  [t₁,t₁+T), соответствующих знакам алфавита. Под сигналом s_i(t) понимают физический процесс, используемый для отображения и передачи элемента сообщения - знака. Так что сообщение становится кортежем: s(t₁), s(t₁+T), …, s(t₁+nT). Преобразование сообщения в сигнал, наилучшим образом распространяющийся в данном канале связи, называют кодированием в широком смысле этого слова. При этом производятся: преобразование алфавита для уменьшения числа m возможных знаков (обычно до m = 2, двоичные сигналы и соответственно), введение избыточности для повышения устойчивости сообщения к воздействию помех и модуляция (изменение параметра физического процесса в соответствии со сменой состояния источника сообщений, т.е. в соответствии с текущим знаком сообщения). Операцию восстановления сообщения по принятому сигналу называют декодированием, которое включает демодуляцию (решение о переданном знаке, снятие избыточности, восстановление исходного алфавита и преданной последовательности знаков).

Для обеспечения простоты и надежности распознавания образцов сигнала на приемном конце СПС их число целесообразно сократить до минимума. Поэтому, как правило, прибегают к операции представления исходных знаков в другом алфавите с меньшим числом знаков, называемых символами. При обозначении этой операции используется тот же термин «кодирование», рассматриваемый в узком смысле. Устройство, выполняющее такую операцию, называют кодирующим или кодером (К). Так как алфавит символов меньше алфавита знаков, то каждому знаку соответствует некоторая последовательность символов, которую называют кодовой комбинацией. Число символов в кодовой комбинации называют ее значностью, число ненулевых символов – весом.

Аналогично, для операции сопоставления символов со знаками исходного алфавита на приемном конце системы передачи используется термин «декодирование». Техническая реализация ее осуществляется декодирующим устройством или декодером (ДК). В простейшей системе связи кодирующее, а, следовательно, и декодирующее устройство могут отсутствовать.

Передающее устройство осуществляет преобразование непрерывных сообщений или знаков в сигналы, способные проходить по конкретной линии связи (либо для хранения в некотором запоминающем устройстве). При этом один или несколько параметров выбранного носителя изменяют в соответствии со знаками (символами) передаваемого сообщения. Такой процесс называют модуляцией. Он осуществляется модулятором (М). Обратное преобразование сигналов в символы производится демодулятором (ДМ).

Под линией связи понимают любую физическую среду (воздух, металл, магнитную ленту и т.п.), обеспечивающую поступление сигналов от передающего устройства к приемному. Сигналы на выходе линии связи могут отличаться от переданных вследствие затухания, искажения и воздействия помех. Помехами называют любые мешающие возмущения (t), как внешние (атмосферные помехи, промышленные помехи), так и внутренние (источником которых является сама аппаратура связи), вызывающие случайные отклонения принятых сигналов от переданных. Эффект воздействия помех на различные блоки системы стараются учесть эквивалентным изменением характеристик линии связи. Поэтому источник помех условно относят к линии связи. Различают аддитивные и мультипликативные помехи, шум, импульсные и сигналоподобные (сосредоточенные в некотором интервале спектра).

Из аддитивной смеси сигнала и помехи z(t) = {s(t-)}+(t), где {s} – оператор воздействия среды,  – время распространения сигнала, приемное устройство выделяет сигнал и посредством декодера восстанавливает сообщение, которое в общем случае может отличаться от посланного. В качестве меры соответствия принятого сообщения отправленному выбрана верность передачи сообщения заданной длины. Если речь идет о дискретных сообщениях, то этой мерой является вероятность ошибочного приема символа или знака. В случае непрерывных, речевых сообщений – разборчивость принимаемого сообщения. Обеспечение заданной верности передачи сообщений – важнейшая цель системы связи. Принятое сообщение с выхода системы связи поступает к абоненту-получателю, которому была адресована исходная информация.

Совокупность средств (искусственных и естественных), предназначенных для передачи сообщений, называют каналом связи. Для передачи информации от группы источников, сосредоточенных в одном пункте, к группе получателей, расположенных в другом пункте, часто целесообразно использовать только одну линию связи, организовав на ней требуемое число каналов (мобильная связь – ярчайший пример). Такие системы называют многоканальными.

Таким образом, стало очевидным, что СПС имеет дело с символами, группируемыми в сообщения, и сигналами, отображающими символы. Информацию из сообщений (данных и сигналов) выделяет получатель человек возможно после (посредством) дополнительных преобразований данных (или сигналов).