Использование информации потребителем связано с ее передачей от источника, которая всегда осуществляется в пространстве и во времени. Однако в зависимости от того, какой фактор является определяющим, различают передачу на расстояние или во времени (т.е. хранение информации). Оба вида имеют много общего и используют сходные методы. Однако для конкретизации далее остановимся на вопросах передачи информации в пространстве.
С передачей информации связывается целый ряд проблем, в том числе:
1)повышение эффективности передачи, в частности, увеличение скорости передачи информации, для чего потребуются разработки методов эффективного кодирования;
2)повышение надежности передачи путем использования корректирующих кодов, помехоустойчивых видов модуляции, применение алгоритмов помехоустойчивого приема;
3)увеличение числа пользователей путем увеличения числа каналов связи;
4)использование новых перспективных принципов информационного обмена и др.
По назначению передаваемую информацию можно разделить на:
1) осведомительную: телеизмерения, связь, передача данных, обнаружение и т.д.
2) управляющую: телеуправление, телерегулирование, коммутации и т.д.
При передаче осведомительной информации, как в числовой, так и в цифровой форме, большое внимание уделяется вопросам сохранения точности предаваемой информации.
При передаче управляющей информации применяются кодовые сигналы обычно двухпозиционного управления. Поэтому более важной становится задача надежности передачи.
В системе передачи информации обычно предполагается наличие источника и приемника, разнесенных на определенное расстояние. Однако передающее устройство и источник информации могут территориально не совпадать. Например, в любом локаторе независимо от физического принципа передатчик и приемник обычно конструктивно совмещаются, а объект может находиться от них на значительном расстоянии. В системах же пассивного обнаружения - передатчик вообще отсутствует.
В системах информационный обмен осуществляется по каналам и линиям связи.
Линии связи - место движения сигналов в многоэлементных системах с развитой сетью входных и выходных устройств.
Канал - это тракт, т.е. физическая среда, по которой перемещаются сигналы.
В технике передачи информации находят применение множество видов каналов, основными из которых являются: 1)механические; 2)акустические; 3)оптические; 4)электрические; 5)радиотехнические каналы. Среди последних можно выделить собственно радиоканалы (аудиоинформация) и телевизионные каналы (аудио- и видеоинформация).
На практике встречаются также варианты комбинированного использования каналов.
Важным, но не единственным признаком в классификации каждого из каналов служит диапазон рабочих частот (см. таб. 2.1).
Механические каналы
Применяются для передачи на короткие расстояния (до 500 м) сигналов в виде механических усилий выделяются следующие разновидности:
Жесткие. Простейший пример - тросовое управление. Максимальная протяженность - до нескольких десятков метров.
Гидравлические. Передаточной средой служит жидкость. Пример - гидравлический привод тормозов. Максимальная протяженность - несколько метров.
Пневматические каналы. Средой для передачи служит воздух. Максимальная протяженность - несколько сотен метров.
Таблица 2.1.
| Вид канала | Классификационный признак | Разновидности каналов | Частота спектров |
| Механический | Среда передачи | Жесткие Гидравлические Пневматические | - - - |
| Акустический | Диапазон частот | Звуковой Ультразвуковой | < 20 кГц > 20 кГц |
| Оптический | Диапазон частот | «Видимый» спектр Инфракрасное излучение Ультрафиолетовое излучение | 400…1000 ГГц 0,3…400 ГГц 1000…3000 ГГц |
| Электрический | Диапазон частот | Подтональные частоты Тональные частоты Надтональные частоты | < 200 Гц 300…3400 Гц 4000…8500 Гц |
| Радио | Диапазон частот | Длинные волны Средние волны Промежуточные волны Короткие волны Ультракороткие волны | < 300 кГц 300…1500 кГц 1,5…6,0 МГц 6,0…30 МГц 30…30´103 МГц |
Последние среди механических систем получили наибольшее распространение в связи с широким использованием унификации конструктивных элементов. Основной недостаток - длительные переходные процессы, особенно в линиях большой длины. Пример – «пневмопочта».
Акустические каналы.
Акустические каналы предназначены для передачи речевых и музыкальных программ. Средой для передачи могут служить любые звукопроводящие материалы и среды. По диапазону частот передаваемых сигналов акустические каналы делятся на две группы:
1. звукового диапазона (до 20 кГц)
2. ультразвукового диапазона (свыше 20 кГц).
В современных практических условиях находят широкое применение акустические процессы и сигналы, относящиеся к разным частям частотного диапазона, представленного на схеме шкалы частот (см. рис. 2.3).
 |
Рис. 2.3
Как следует из диаграммы на рис. 2.3 на полной шкале выделяются четыре области: 1 – инфразвук; 2 - слышимый звук; 3 - низко-, средне- и высокочастотный ультразвук; 4 – «нано»- и «гиперзвук».
Акустические сигналы и соответствующие каналы нашли разнообразное применение в: промышленности, технике, медицине, в сфере военных приложений, автоматического контроля, обнаружения и связи: вибродиагностике, ультразвуковой дефектоскопии, обнаружении подводных объектов и системах навигации в активном и пассивном режимах.
При активной локации звуковые процессы возбуждаются с помощью специальных передающих устройств - электроакустических преобразователей, выступающих также в качестве приемников. В качестве источников и приемников звуковых и ультразвуковых колебаний широко используются в диапазоне 10…30 кГц - магнитострикционные преобразователи, а в диапазоне частот до 109 Гц - пьезоэлектрические преобразователи, а также множество других типов источников [1, 5]. Важным свойством многих электроакустических преобразователей является их обратимость - то есть возможность применения, как в качестве излучателя, так и в качестве приемника.
Так магнитострикционный преобразователь (см. рис. 2.4, а), схематично, содержит сердечник из магнитострикционного материала, который обладает свойством преобразовывать энергию магнитного поля (электромагнитные колебания) в механические и обратно. К материалам такого рода относятся: железо, никель и никелевые сплавы (пермендюр и др.), кобальт и его сплавы, ферриты и т.д. При работе сердечника с обмоткой в режиме генератора электромагнитное поле обмотки вызывает колебания сердечника, а в режиме приемника в обмотке индексируется ток, создаваемый полем, которое возникает в результате механической деформации сердечника при приеме акустических сигналов из среды, образующей акустический канал.
Рис.2.4
Если преобразователь поляризован (с помощью дополнительной намотки), то поле упругих колебаний имеет ту же частоту, что и возбуждающий сигнал 
. Если преобразователь не поляризован, то излучение может происходить на удвоенной частоте по сравнению с частотой возбуждающего сигнала (эффект четности). Магнитострикционные преобразователи, выходное сопротивление (импеданс) которых имеет «индуктивную» реакцию, относят к преобразователям индуктивного типа.
В устройствах с пьезоэлектрическими датчиками (см. рис. 2.4, б) происходят колебания вследствие прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта – изменение линейных размеров монокристаллических (кварц, сульфат, литий, йодат лития, ниобат лития) и поликристаллических пьезоматериалов (титанат бария, цирконат-титанат свинца и т.д.) в соответствии с изменением электрического поля. Пьезоэлектрические преобразователи относят к преобразователям емкостного типа.
В звуковом частотном диапазоне широкое распространение получили электродинамические преобразователи.
Кроме обратимости другим важнейшим свойством электроакустических преобразователей является их направленность – неравномерное излучение энергии в разных направлениях. Количественной мерой направленных свойств преобразователей является характеристика направленности – нормированная зависимость физического параметра поля упругих волн от угла наблюдения. Основными элементами характеристики направленности являются: главный максимум (основной лепесток), побочный максимум, дополнительный максимум, угол «раскрыва» и т.д.
Очень часто при измерениях в акустических трактах оценивают время прихода информационных сигналов, которое зависит от скорости распространения звука.
Ниже в таблице представлены значения скоростей звука для различных материалов, для которых характерен достаточно широкий диапазон ее значений [7]:
Воздух – 340 м/с;
Вода пресная – 1430 м/с;
Вода морская – 1500 м/с;
Бетон монолитный – 3600…4000 м/с;
Стекло силикатное – 5400 м/с;
Сталь углеродистая – 5900 м/с;
Бериллий – 12800 м/с.
Для твердых веществ основными параметрами, определяющими значения скоростей звука, являются: физическая плотность и упругие характеристики: модуль Юнга, коэффициенты Ламэ и др. Однако скорость зависит и от целого ряда других факторов: температуры, влажности солености и др., что в целом усложняет операции точных и прецизионных измерений значений скоростей и других измерений, использующих значения скоростей звука.
Оптические каналы
По диапазонам используемых частот оптические каналы подразделяются на следующие группы:
а) видимая часть спектра (
);
б) инфракрасная часть спектра (
);
в) ультрафиолетовая часть (
);
Расположение оптических каналов на волновой оси электромагнитных излучений показано на схеме (см. рис. 2.5).
 |
Рис. 2.5.
1 - 
-лучи; 2 – рентген излучение; 3 – ультрафиолетовое излучение; 4 – видимое излучение; 5 – инфракрасное излучение; 6 – микроволновое излучение (СВЧ); 7 – радиоволны.
Устройства, работающие в инфракрасном диапазоне, нашли более широкое применение из-за существенных преимуществ перед видимым излучением и ультрафиолетовым. Среди них: меньшее ослабление в атмосфере; скрытность передачи из-за возможности распространения в темноте; большая помехозащищенность канала и др.
Инфракрасное излучение создают все тела при нагревании (рис. 2.6).
Рис. 2.6
На графике представлена зависимость интенсивности Е (относительные единицы) от длины волны λ при различных температурах. Видно, что максимальная интенсивность излучения приходится на существенную часть инфракрасного диапазона, что на практике используется для контроля и обнаружения, и в военных целях тоже. Наиболее распространен диапазон от 0,75 до 15 мкм (рис. 2.6).
В качестве иллюстрации технического воплощения устройств, использующих оптические каналы, на рис. 2.7 представлена простейшая схема оптического «телефона».
 |
Рис. 2.7
При работе устройства электрические колебания звуковой частоты, возникающие после воздействия звукового сигнала в микрофоне М усиливаются усилителем У1 и модулируют поток излучения, создаваемого источником света И. Излучение источника проходит через инфракрасный фильтр и распространяется в атмосфере. Приемником служит фотоэлемент. После усиления на усилителе У2 сигнал поступает на «головной» телефон Т.
Большие перспективы в оптической технике передачи информации имеет применение квантовых генераторов – лазеров. В настоящее время разработаны и продолжают разрабатываться многочисленные конструкции кристаллических и газовых лазеров, работающих в различных частях оптического диапазона. В качестве приемников используются: фоторезисторы, фотодиоды, фотоумножители и др.
Рассмотрим принцип работы источника когерентного излучения на примере твердотельного (рубинового) лазера, схема устройства которого представлена на рисунке 2.8.
При облучении кристалла рубина посторонним источником света (накачка) происходит изменение энергетического состояния атомов хрома, содержащихся в рубине. Возбуждаясь, электроны атома переходят на более высокий энергетический уровень, состояние которого является нестабильным.
Для сохранения стабильности электроны вынуждены переходить на более низкий уровень, излучать кванты света - фотоны. Фотоны инициируют переходы других электронов, которые при этом вновь излучают фотоны, и процесс лавинообразно нарастает. Процесс усиливается за счет переотражения фотонов от зеркальных граней. Поток излучения монохроматичен и излучается во внешнюю область через «полупрозрачную» грань. Поток излучения в других направлениях не усиливается, в результате чего формируется пучок с весьма узкой направленностью (у кристаллических лазеров угол «раскрыва» не превышает 0,5°).
 |
Рис. 2.8
В газовых лазерах «рабочим веществом» служат: смесь гелия с неоном, смесь углекислого газа, азота и гелия и другие газообразные компоненты. Индуцированное излучение возникает при инициированном электрическом разряде в газовой среде без оптической подкачки. Газовые лазеры могут работать в непрерывном режиме и имеют высокий КПД (до 30%). Излучение газовых лазеров сосредоточено в угле 1¢. Ширина спектра составляет 10…80 кГц при собственной частоте 1014 Гц. Высокая направленность принципиально дает возможность вести передачи на расстояниях до сотен миллионов километров. Это создает серьезные предпосылки для использования оптических квантовых генераторов в системах космической связи, исследований и других целей специального назначения.
Электрические каналы
Наибольшее распространение в технике информационного обмена получили электрические каналы с применением проводных линий связи. Для передачи информации могут служить как специально выделенные линии, так и линии, сооруженные для других целей. Для передачи телемеханических сигналов, например, широко применяется линия электроснабжения, высоковольтные электропередачи, телефонные и телеграфные линии и т.д.
Шкала частот, занимаемая сигналами в электрическом канале связи, условно делится на четыре диапазона:
1) 0…200 Гц – подтональные частоты;
2) 300…3400 Гц – тональные частоты;
3) 4000…8500 Гц – надтональные частоты;
4) свыше 10 кГц - ультравысокие частоты;
В случае использования «индивидуальных» линий связи для передачи могут служить любые поддиапазоны. При одновременном использовании линий связи и для передачи телемеханической информации указанные диапазоны частот распределяются следующим образом:
- тональные частоты для телефонии и телеграфии
- высокие частоты - для высокочастотной телефонии
- подтональные и надтональные частоты - для передачи телемеханической информации.
С физической и технической точек зрения, электрические линии связи представляют собой разновидность телеграфных линий с распределенными параметрами, которые можно представить в виде цепи последовательно соединенных четырехполюсников (см. рис. 2.8).
 |
Рис. 2.9
Значение R0 характеризует активное сопротивление линии, приходящееся на 1 км длины («погонное» сопротивление). Это сопротивление зависит от материала, сечения проводов, температуры окружающей среды и частоты передаваемых сигналов (при увеличении частоты R 0 растет из-за наличия поверхностного (скин-) эффекта. L о - индуктивность на единицу длины - зависит от материала, радиуса проводов, расстояния между проводами, частоты сигналов и температуры среды. Проводимость изоляции обозначена G о. Она зависит от вида изоляции, влажности окружающей среды и частоты сигналов. Емкость утечки С о зависит от материала изоляции, радиуса проводов и расстояния между ними.
Эти параметры линии связи определяют ее важнейшую характеристику - волновое сопротивление:
Zлинии = 
, (2.1)
где w - частота сигнала. Для того, чтобы вся проходящая по линии энергия поступала в нагрузку, сопротивление нагрузки должно быть равно волновому сопротивлению линии. В противном случае возникает эффект «отражения», при котором часть энергии, отражаясь от конца линии, возвращается к источнику сигнала. Для исключения этого между линией и приемником помещают согласующие цепи, обеспечивающие выравнивание сопротивлений нагрузки и волнового сопротивления. Погонный коэффициент затухания b и коэффициент сдвига фазы a определяется величиной постоянной от распространения: g = b + ja = 
.
Проводные линии связи делятся на кабельные и воздушные. Кабельные линии обладают большей надежностью и меньшей зависимостью от уровней внешней среды. Проводимость изоляции их очень мала (G o » 10- 10 См/км), но активное сопротивление R 0 и емкость С о кабельных линий больше, чем соответствующие параметры воздушных линий, что обусловлено малым диаметром жил кабелей и малым расстоянием между ними.
Проводимость изоляции воздушных линий сильно зависит от метеорологических условий. В сырую и влажную погоду допустимая проводимость G о составляет 10- 6 См/км.
Весьма широко для передачи информации используются уже построенные, «готовые» к эксплуатации линии энергетического обмена. Это относится, прежде всего, к высоковольтным линиям с рабочим напряжением порядка 35…500 кВ. Использование для телемеханики линий электропередачи имеет ряд преимуществ перед применением специальных телемеханических линий. К ним относятся: высокая прочность и надежность, низкая вероятность случайных повреждений под влиянием «сторонних факторов», большая протяженность, малое затухание. Недостатки: значительный уровень помех на промышленных частотах из-за «коронных» разрядов, атмосферных помех и т.д. Это приводит к усложнениям аппаратных средств поддержки информационного обмена.
Структурная схема телемеханического канала связи, организованного на основе линии электропередачи, приведена на рис.2.9.
 |
Рис. 2.10
На схеме, представленной на рис. 2.10 выделены следующие элементы: ЛЭП - высоковольтная линия электропередачи; ВП - высоковольтная подстанция; Ф – фильтр; ПТ - пост телемеханики; Р – «защитный» разрядник; ЗН - «заземляющий нож»; К - слаботочный кабель.
Передача ведется в диапазоне высоких частот в пределах 30…300 кГц (в отдельных случаях до 1,0 МГц). Для предохранения поста телеканала (телемеханики) ПТ и ее персонала от высокого напряжения линии применяется высоковольтный разделительный конденсатор С и разрядник Р. При аварийном пробое конденсатора высокое напряжение попадает на разрядник, который пробиваясь спекается и шунтирует аппаратуру на землю. «Заземляющий нож» ЗН используется для шунтирования аппаратуры при ремонте и профилактике. Полосовой фильтр Ф задерживает низкочастотную составляющую высоковольтного сигнала, а также помехи, возникающие в линии, и пропускает полезный сигнал. Высокочастотный фильтр - индуктивность L - предотвращает прохождение телемеханических сигналов на подстанцию линии ВП.
Радиотехнические каналы
Рассмотрим, кратко, принцип действия и устройство радиоканалов и телевизионных каналов. По диапазону частот (длин волн) различают радиоканалы:
1) длинных волн (l >1000 м);
2) средних волн (200<l<1000 м);
2) промежуточных волн (50<l<200 м);
4) коротких волн (10<l<50 м);
5) ультракоротких волн (l<10 м).
На распространение радиоволн (как и звука) влияют отражающие и поглощающие свойства земной поверхности и атмосферы, особенно слоя, носящего название ионосферы, и расположенного в самой верхней части атмосферы.
Ионосфера состоит из заряженных частиц - распавшихся молекул газов - электронов и ионов, образующихся в результате воздействия солнечных лучей. В этом участвуют также космическое излучение и метеоритные частицы. Концентрация ионов 
имеет два характерных максимума. Первый, называемый слоем Е расположен на высоте h = 110…130 км. Второй слой с максимальной концентрацией F расположен на высоте около 300 км. Концентрация сильно зависит от времени суток. Ночью степень ионизации намного ниже, чем днем. Днем слой F меняет свою конфигурацию (становится двугорбым), и появляется дополнительный ионизационный слой (всего их становится три), расположенный ниже слоя E (рис. 2.11).
Изменение концентрации ионов с высотой обусловливает непрерывное изменение угла преломления радиоволн, в результате чего траектории распространения волн искривляются (возникает рефракция).
Если направление распространения становится горизонтальным, то, не достигнув уровня максимальной ионизации, часть волновой энергии отразится в сторону земли. Часть волн отражается слоем Е, другая - слоем F.
Третья часть пробивает оба слоя и выходит за пределы Земной атмосферы. Преломляющая способность уменьшается с уменьшением длины электромагнитной волны. Волны, распространяющиеся вследствие множественных переотражений в атмосфере, носят название пространственных.
 |
Рис. 2.11
Кроме пространственных волн имеют место, т.н. поверхностные волны, распространяющиеся вблизи поверхности Земли, благодаря дифракции. Чем меньше длина волны, тем быстрее затухают поверхностные волны. Сигналы длинных волн полностью отражаются слоем Е. УКВ волны сразу выходят за пределы атмосферы. Остальные волны отражаются слоями Е и F.
Для передачи промышленных сигналов телемеханики и других целей используются радиорелейные каналы, работающие в диапазонах УКВ. При этом приемно-передающие комплексы устанавливаются в пределах прямой видимости (рис. 2.12). Для передачи информации на большие расстояния используются промежуточные ретрансляторы, служащие и для частичного восстановления сигналов, искаженных и ослабленных в процессе передачи. Если прямая видимость ограничена только кривизной земной поверхности, то расстояния между станциями определяется по формуле: l (км) » 7,2 
. Так при h = 60 м ® l » 54 км. Кроме радио-, радиорелейных и радиотелевизионных каналов применяются и волноводные каналы. Волновод - полая металлическая конструкция (волновод-труба круглого или прямоугольного сечения), используемая для передачи высокочастотной электромагнитной энергии. Отличительной особенностью волноводных каналов является уменьшение потерь с ростом частоты. Перспективная область рабочих частот волноводных каналов составляет 35…75 ГГц.
 |
Рис. 2.12
В радиотелевизионных каналах помимо аудиоинформации осуществляется и передача видеоинформации – так называемой «картинки». Качество «картинки» определяется целым рядом причин, однако важнейшим звеном является так называемая передающая трубка, формирующая электронный видеосигнал из «оптического» изображения. В настоящее время известно большое число разновидностей передающих «трубок»: иконоскопы, ортиконы, суперортиконы, видиконы и т.д. Рассмотрим в качестве примера схематическое устройство видикона (см. рис. 2.13).
Внутри стеклянной «вакуумированной» колбы расположены: 1- катод; 2- управляющий электрод; 3-5 –система анодов; 6 – «мишень» из фоторезистивного материала. Снаружи расположены: 9 – отклоняющая система; 10 - фокусирующая система; 11 – корректирующая система. Фокусирующая система «создает» электронный луч – 7, генерируемый катодом и управляющим электродом – 2. С помощью оптической системы – 8 изображение фокусируется на мишень 6. Конструкцию мишени можно мысленно представить в виде множества элементарных конденсаторов, одной, общей обкладкой которых является слой металла, а другие образованы элементами поверхности фотопроводящего слоя. Спроецированное линзами изображение создает на экране световой «рельеф», изменяющих сопротивление вещества в элементарных конденсаторах, которые начинают терять заряд пропорционально освещенности. Электронный луч – 7, построчно «развертывающий» элементы мишени, вызывает протекание тока, через нагрузочный резистор 
, на котором создается напряжение видеосигнала. Безусловно, реальные процессы, происходящие в видиконе, значительно сложнее, но в любом случае, его устройство можно рассматривать, как своего рода оптико-электронный преобразователь.
Рис. 2.13
В многоканальных системах «тракты» всех сигналов должны отделяться друг от друга с тем, чтобы сигнал от каждого источника мог попасть на свой приемник.
Различают следующие способы разделения каналов:
1.пространственное разделение (это единственный вид, когда каждый канал получает свою линию). В остальных случаях линия является общей, а разделение получает характер уплотнения каналов
2. дифференциальное
3. частотное
4. временное
5. фазовое
6. кодовое
7. по уровням
8. по форме
9. корреляционные
10. комбинированные методы и др.