2.1 Информация, сообщения, сигналы

Человеческое общество живет в информационном мире, который постоянно изменяется и пополняется. То, что человек видит, слышит, помнит, знает, переживает, - все это различные формы информации. Следовательно, в широком смысле информацию можно определить как совокупность знаний об окружающем нас мире. В таком понимании информация является важнейшим ресурсом научно-технического прогресса и социально-экономического развития общества и наряду с материей и энергией принадлежит к фундаментальным философским категориям естествознания.

Понятия «информация» (от лат. informatio - разъяснение, изложение) и «сообщение» в настоящее время неразрывно связаны между собой. Эти близкие по смыслу понятия сложны, и дать их точное определение через более простые нелегко.

Информация - это совокупность сведений или данных о каких-либо событиях, явлениях или предметах, то есть это совокупность знаний об окружающем нас мире.

Передача и хранение информации осуществляется с помощью различных знаков (символов), которые позволяют представить её в некоторой форме.

Сообщение это совокупность знаков, отображающих ту или иную информацию. Передача сообщений (а, следовательно, и информации) на расстояние осуществляется с помощью какого-либо материального носителя, например, бумаги или магнитной ленты или физического процесса, например, звуковых или электромагнитных волн, тока и т.д.

Сигнал это физический процесс, отображающий (несущий) передаваемое сообщение. В качестве сигналов в настоящее время в основном используются электрические и оптические сигналы. В электронике сигналом может быть все - от компьютерных цифровых импульсов и до импульсов, модулированных радиоволнами УКВ-диапазона. Сигнал передаёт (развёртывает) сообщение во времени, то есть всегда является функцией времени. Сигналы формируются путём изменения тех или иных параметров физического носителя в соответствии с передаваемым сообщением.

Сообщения могут быть функциями времени, например речь при передаче телефонных разговоров, температура или давление 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 передаёт сообщение во времени. Следовательно, он всегда является функцией времени, даже если сообщение (например, неподвижное изображение) таковым не является.

Дискретный или дискретный по уровню (амплитуде) сигнал - это сигнал, принимающий по величине (амплитуде) только определённые дискретные значения.

Непрерывный или аналоговый сигнал это сигнал, который может принимать любые уровни значений в некотором интервале величин.

Дискретный по времени сигнал это сигнал, заданный только в определённые моменты времени.

Непрерывный по времени сигнал это сигнал, заданный на всей оси времени.

Например, речь является сообщением непрерывным как по уровню, так и по времени, а датчик температуры, выдающий её значения через каждые 5 мин, служит источником сообщений, непрерывных по величине, но дискретных по времени.

На рис. 2.1 наглядно проиллюстрированы различные виды сигналов.

Рис. 2.1 Виды сигналов: а) непрерывный сигнал; б) дискретный по времени сигнал; в) сигнал, квантованный по уровню; г) цифровой сигнал

Цифровой сигнал это дискретный сигнал по уровню и времени, причём число дискретных значений уровней у него конечно. Так как в этом случае уровни дискретного сигнала можно пронумеровать числами с конечным числом разрядов, то такой дискретный сигнал и называется цифровым.

Полезный сигнал является объектом транспортировки (передачи), а техника связи - по существу техникой транспортирования сигналов по каналам связи. Поэтому целесообразно определить параметры сигнала, которые являются основными с точки зрения его передачи. Такими параметрами являются длительность сигнала Тс, его ширина спектра Fc и динамический диапазон Dc.

Длительность сигнала (Т) определяет интервал времени, в пределах которого сигнал существует, а так как любой сигнал рассматривается как временной процесс, то он имеет начало и конец. Длительность сигнала измеряется в секундах, миллисекундах (1 мс = 10^-3 с), микросекундах (1 мкс = 10^-6 с), наносекундах (1 нс = 10^-9 с) и пикосекундах (1 пс = 10^-12 с).

Ширина спектра сигнала (F) это диапазон частот, в пределах которого сосредоточена его основная энергия. Она определяет скорость изменения сигнала внутри интервала его существования. В технике связи спектр передаваемого сигнала часто сознательно сокращают для экономии средств на аппаратуру линии связи. Возможную величину сокращения спектра сигнала при этом определяют исходя из допустимого искажения сигнала в данной системе связи. Например, при телефонной связи требуется, чтобы речь была настолько разборчива, чтобы абоненты могли узнать друг друга по голосу. Для этого достаточно передать речевой сигнал в полосе частот 300-3400 Гц. Передача более широкого спектра речи в этом случае нецелесообразна, так как ведёт к техническим усложнениям и увеличению затрат на канал связи. Спектр модулированного сигнала обычно шире спектра передаваемого сообщения и зависит от вида модуляции.

Динамический диапазон (D) это отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к той наименьшей мощности, которую необходимо отличать от нуля при заданном качестве передачи.

D=10lg(Pmax/Pmin), [дБ]

Динамический диапазон сигналов передачи программ звукового вещания: речь диктора - 25…35 дБ; музыкальные инструменты - 45…55 дБ; симфонический оркестр - до 65 дБ. Звук двигателей реактивного самолета на взлете - более 100 дБ.
С помощью приведённых выше параметров можно ввести общую и наглядную характеристику передаваемых по каналам связи сигналов - объём сигнала: Vc = Tc·Fc·Dc.

Объём сигнала (Vc) даёт общее представление о возможностях данного множества сигналов как переносчиков сообщений. Чем больше объём сигнала, тем больше информации можно «вложить» в этот объём и тем труднее передать такой сигнал по каналу связи с требуемым качеством.
Необходимым условием неискаженной передачи по каналу сигналов с объемом Vc, очевидно, должно быть Vc< Vк. При соблюдении этого условия объем сигнала полностью «вписывается» в объем канала.

Преобразование дискретного сообщения в сигнал обычно осуществляется в виде двух операций - кодирования и модуляции.

Кодирование - это процесс записи информации на языке несущей среды. Колебания, не являясь информационным сигналом, на определенной частоте могут переноситься из одной точки пространства в другую, но не передавать никаких данных до тех пор, пока информация не будет каким-либо способом в них закодирована. Перенесение информации на несущую среду предполагает модифицирование несущей среды и называется модуляцией.

Модуляция это процесс изменения параметров носителя информации.

Для передачи информации используют специальные электрические сигналы (электромагнитные колебания), которыми являются хорошо излучающиеся и распространяющиеся как в свободном пространстве, так и в направляющих системах высокочастотные гармонические электромагнитные колебания (несущие колебания). Сами несущие колебания не содержат информации (можно сказать, что передают с нулевой скоростью), а только ее переносят. Передаваемая по каналам связи информация закладывается в один или ряд параметров несущего колебания.

Общий принцип модуляции состоит в изменении одного или нескольких параметров несущего колебания (электромагнитного колебания) f(t,a,в,...) в соответствии с передаваемым сообщением. Так, если в качестве переносчика выбрано гармоническое колебание f(t) - U cos(ω₀ t + φ), то можно образовать три вида модуляции: амплитудную (AM), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ).

Применение радиоимпульсов позволяет получить ещё два вида модуляции: по частоте и по фазе высокочастотного заполнения.

При дискретной (цифровой) модуляции закодированное сообщение а, представляющее собой последовательность кодовых символов {b_l}, преобразуется в последовательность элементов (посылок) сигнала {u(t)} путём воздействия кодовых символов на электромагнитное колебание f(t).

Рис. 2.2 Формы сигналов при двоичном коде для различных видов дискретной модуляции

1. Амплитудная модуляция (AM). Амплитуда несущей волны варьируется в соответствии с амплитудой информационного сигнала.

Рис. 2.3 Амплитудно-модулированный сигнал: а) звуковой сигнал передатчика; б) высокочастотный сигнал передатчика; в) закон колебаний передаваемого сигнала; г) спектрограмма

2. Частотная модуляция (ЧМ). В данном случае модулируется частота несущей волны в зависимости от изменения амплитуды передаваемого сигнала. Таким образом, сигнал модулирует частоту несущей, а не ее амплитуду. В коротковолновом радиодиапазоне применяется именно этот способ модуляции.

Рис. 2.4 Частотная модуляция: а) немодулированный высокочастотный несущий сигнал; б) передаваемый звуковой сигнал; в) радиосигнал

3. Импульсная модуляция (ИМ). Технология импульсной модуляции основана на переводе аналогового сигнала (такого, например, как голос) в цифровые импульсы. Голос может быть представлен серией чисел. При этом величина каждого числа находится в строгом соответствии с амплитудой голоса.

С помощью кодирования и модуляции источник сообщений согласуется с каналом.

В современных системах передачи дискретных сообщений принято различать две группы относительно самостоятельных устройств: кодеки и модемы. Кодеком называются устройства, преобразующие сообщение в код (кодер) и код в сообщение (декодер), а модемом - устройства, преобразующие код в сигнал (модулятор) и сигнал в код (демодулятор).

Рис. 2.5 Процесс преобразования дискретного сообщения в сигнал и сигнала в дискретное сообщение

Канальные устройства (полосовые усилители передатчика и приёмника, корректоры и т.п.) вместе с линией связи образуют непрерывный канал, а последний вместе с модемом дискретный канал.

Преобразование сообщения в сигнал должно быть обратимым. В этом случае по выходному сигналу можно восстановить входной первичный сигнал, т.е. получить всю информацию, содержащуюся в переданном сообщении. В противном случае часть информации будет потеряна при передаче.

Рис. 2.6 Структурная схема простейшей одноканальной системы связи

Линии связи. Информативность телекоммуникационной системы определяется типом используемой в ней линии связи (ЛС).

Линией связи называется физическая среда и совокупность аппаратных средств, используемых для передачи сигналов от передатчика к приёмнику.

Различают два типа ЛС: линии связи в свободном пространстве - радиолинии (РЛ), радиорелейные, сотовые, спутниковые, лазерные; и линии связи по направляющим системам. Достоинства РЛ - большие расстояния установления связи, в том числе с подвижными объектами, а также возможность передачи информации неограниченному числу слушателей и зрителей. Недостаток радиолиний  зависимость качества связи от состояния среды передачи, воздействие электромагнитных помех (ЭМП), сложность обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) радиосредств. И главный - невысокая информативность, обусловленная малой скоростью передачи в силу узкополосности систем передачи.

Достоинством направляющих линий связи является, в первую очередь, их высокая скорость передачи больших объемов информации в сочетании с высоким качеством передачи сигналов, защищенность от влияния ЭМП, простота приемо-передающих устройств. Однако направляющие системы - кабельные линии связи - являются наиболее дорогостоящим элементом телекоммуникационных систем.

Различают два основных типа направляющих систем - кабельных линий связи - электрические и волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). В литературе встречается также термин оптоволоконные ЛС.

В кабельных ЛС направляющие системы образуются системными проводниками и диэлектриками, а в ВОЛС они представляют собой диэлектрические волноводы.