ТЕМА 1. ИНФОРМАЦИЯ, ИНФОРМАТИКА И ИНФОРМАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
ЛЕКЦИЯ 1.2. ВИДЫИ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИГНАЛОВ
ПОНЯТИЕ СИГНАЛА.
Сообщения переносятся между объектами с помощью обмена веществом или энергией. Дадим следующее определение:
Формы вещества или энергии, с помощью которых переносятся сообщения, будем называть переносчиками сообщений.
В большинстве случаев переносчик имеет не материальную, а энергетическую природу. Он должен хорошо распространяться по линиям связи.
В качестве таких переносчиков используют:
· гармонические (или другими словами синусоидальные) высокочастотные колебания;
· последовательности импульсов.
Обычно природа переносчика электрическая, либо электромагнитная. Однако это могут быть и волны давления в жидкостях и газах (до 1 МГц) и особенно в последнее время световые волны (4-7,5·105 ГГц, 0,4 (фиолет.) –0,75 (красн.) мкм) или импульсы.
Сам переносчик не содержит информации (сообщения). Как только в него закладывают информацию, он превращается в информационный сигнал или кратко - сигнал.
Дадим определение понятию «сигнал». Под сигналом понимают физический процесс, энергетической природы, отображающий (несущий) сообщение. В зависимости от природы переносчика сигналы могут быть: электрическими, световыми (оптическими), звуковыми, гидравлическими и т.п.
Для обеспечения передачи информации (сообщений) между техническими объектами служат различные технические устройства связи, объединяемые в системы передачи информации (СПИ). Примерами таких систем может служить телефон, радио, телевидение, компьютерная сеть. Структурная схема одноканальной СПИ представлена на рис. 1.1. Разберем эту схему поподробнее.
Для того чтобы заложить в переносчик информацию, содержащуюся в сообщении, т.е. превратить переносчик в сигнал, применяют операцию модуляции, которая заключается в изменении во времени одного или нескольких параметров переносчика в соответствии с передаваемым сообщением. Такие параметры называются информативными. Т.е. сообщение модулирует информативный параметр переносчика.
Это преобразование сообщения в сигнал, который может эффективно распространяться по линии связи, осуществляется в передатчике. Наряду с модуляцией при передаче непрерывных сообщений цифровыми методами или цифровых (дискретных) сообщений передающее устройство может осуществлять операции кодирования (это понятие является более широким, чем модуляция), дискретизации по времени и квантования по уровню.
В приемном устройстве происходит обратная операция восстановления сообщения по принятому сигналу, которая осуществляется демодулятором. Совокупность модулятора и демодулятора образует подсистему, называемую модемом.
Рис. 1.1. Структурная схема одноканальной СПИ.
В СПИ используют в основном электрические сигналы (только в волоконно-оптических СПИ – световые сигналы), поэтому для эффективного проведения операции модуляции сообщения неэлектрической природы предварительно преобразуются в электрические колебания с помощью специальных преобразователей: микрофонов, передающих телевизионных трубок, датчиков температуры, давления и т.п. Эти электрические колебания на выходе преобразователей называются первичными сигналами (в отличие от просто сигнала (модулированного сигнала), который иногда называют вторичным сигналом). Передачу сообщений с использованием электрических сигналов принято называть электросвязью.
По назначению передаваемых сообщений СПИ можно разбить на несколько групп:
1) для передачи звуковых сообщений (речи) (звуковое вещание и телефонная связь);
2) для передачи оптических неподвижных сообщений, в том числе текста (телеграф и фототелеграф, телекс, факсимильная связь, в том числе передача газет);
3) для передачи подвижных изображений и звукового сопровождения (телевизионное вещание, видеотелефонная связь);
4) для передачи измерительной информации (телеметрические системы);
5) для передачи команд управления (телеуправление);
6) для передачи данных между ЭВМ (компьютерные сети, на базе которых могут быть организованы следующие службы: телетекст, обмен файлами, электронная почта, телеконференции, удаленный доступ к базам данных).
КЛАССИФИКАЦИЯ ЛИНИЙ СВЯЗИ.
Под линией связи будем понимать любую физическую среду (воздух, металл, магнитную ленту и т.п.), обеспечивающую поступление сигналов от передающего устройства к приемному. В компьютерных сетях вместо термина линия связи используют понятие линия передачи данных. Сигналы на выходе линии связи могут отличаться от переданных вследствие затухания, искажения и воздействия помех.
В зависимости от среды, в которой распространяются сигналы, различают два основных типа линий связи:
· проводные (направляющие линии связи);
· беспроводные (радиолинии и линии связи по инфракрасному лучу, (больше длины красного цвета =0,7 мкм, частота < 4 105 ГГц), а в последнее время и по лучу лазера);
Проводной называется линия связи, в которой информационные сигналы распространяются вдоль искусственной направляющей среды – устройства непрерывной конструкции, способного передавать электромагнитную энергию в заданном направлении. В зависимости от вида направляющей среды проводные линии связи подразделяют на:
· воздушные;
· кабельные;
· волноводные;
· световодные или волоконно-оптические;
В компьютерных сетях в качестве линий передачи данных применяются
· витая пара проводов, twisted pair (экранированная STP (shielded) – сравнительна дорога, применяется редко и неэкранированная UTP (unshielded) категорий 3-5. В последнее время созданы UTP категорий 6 и 7),
· коаксиальный кабель (тонкий RG-58, диаметром 6,25 мм, иногда его называют CheaperNet или ThinNet – в современных сетях не используется и толстый ThickNet, диаметром 12,5 мм RG-8, RG-11)
· оптоволоконный кабель (одномодовый SMF (single mode fiber) и многомодовый MMF (multi)). Конструкция световода - кварцевый сердечник диаметром 10 мкм, покрытый отражающей оболочкой с внешним диаметром 125...200 мкм.
Структурную схему проводной линии связи можно изобразить следующим образом:
Рис. 1.2. Структурная схема проводной линии связи.
УС – усилитель; ИНС – искусственная направляющая среда.
Так как в направляющей среде любой сигнал ослабляется (затухает), в проводных линиях связи предусмотрено многократное усиление сигнала. Каждый из n усилителей (для ЛВС – повторитель, repeater) располагается на усилительном пункте, расстояние между которыми зависит от вида и параметров направляющей среды.
Затухание (attenuation) или более точно погонное затухание в линиях связи определяется потерями мощности сигнала, например на нагрев (для кабельных линий) или на поглощение и рассеивание излучения (для оптических волокон) и измеряется децибелами на км:
B (Att) =1/L·10 Lg·Pвх/Pвых (дБ/км), (1.7)
где L – длина отрезка линии связи в км; Pвх – мощность сигнала на входе линии связи, Pвых – мощность, зафиксированная приемником на выходе. Для электрических импульсных сигналов можно использовать другую формулу:
B (Att) =1/L·20 Lg·Uвх/Uвых (дБ/км), (1.8)
где Uвх, Uвых – амплитуда напряжения сигнала на входе и выходе линии связи соответственно.
Например, если L=1 км, Pвх=1 мВт, Pвых=10 мкВт, т.е. мощность упала в 100 раз, то B=20 дБ/км. Это же затухание соответствует падению амплитуды сигнала в 10 раз. Затухание в 3 дБ/км означает уменьшение мощности в 2 раза, а уменьшение амплитуды сигнала в 2 раза соответствует затухание 6 дБ/км. Возможно усиление сигнала, мощность которого упала в 10000 раз (т.е. после затухания в 40 дБ).
При заданной длине можно говорить о полосе пропускания (полосе частот) линии связи. Полоса пропускания связана со скоростью передачи информации.
В высокоскоростных ЛВС на неэкранированной витой паре UTP длины соединений обычно не превышают 100 м. Затухание на частоте 100 МГц и при длине 100 м составляет около 24 дБ, при 10 МГц и 100 м - около 7 дБ..
Типичные характеристики ВОЛС: работа на волнах 0,85...1,55 мкм, затухание 0,7 дБ/км, полоса частот - до 2 ГГц; ориентировочная цена - 4...5 долл. за 1 м. Предельные расстояния D для передачи данных по ВОЛС (без ретрансляции) зависят от длины волны излучения λ: для λ =850 нм – D=5км, а для λ=1300 нм D=50 км, но аппаратурная реализация дороже.
Радиолинией называется линия связи, в которой сигналы передаются в открытом пространстве (космос, воздух, земля, вода) с помощью радиоволн – волн с частотами до 3·1012 Гц (3000 ГГц или 3 ТГц (терагерц)). Радиолинии не имеют искусственной направляющей среды.
Радиолинии классифицируются по виду используемых радиоволн, их длине или частоте. Такая классификация приведена в ГОСТ 23375-80. В частности,
· Декаметровые (короткие) волны или высокие частоты (ВЧ) 3-30 МГц (100-10 м) – радиовещание;
· Метровые (ультракороткие УКВ) волны или очень высокие частоты (ОВЧ) 30-300 МГц (10-1 м) – радиовещание, телевидение;
· Дециметровые волны или ультравысокие частоты (УВЧ) 300 МГц –3 ГГц (100-10 см) – сотовая телефонная связь, телевидение, спутниковая связь,ЛВС;
· Сантиметровые волны или сверхвысокие частоты (СВЧ) 3-30 ГГц (10-1 см) – радиорелейные линии, спутниковая связь, ЛВС
· Миллиметровые волны или крайне высокие частоты (КВЧ) 30-300 ГГц (10-1 мм) – ЛВС
Чем выше рабочая частота, тем больше емкость (число каналов) системы связи, но тем меньше предельные расстояния, на которых возможна прямая передача между двумя пунктами без ретрансляторов. Первая из причин и порождает тенденцию к освоению новых более высокочастотных диапазонов.
Линии радиосвязи могут состоять из нескольких или многих отрезков (интервалов), в пределах которых передача сигналов обеспечивается по схеме 1.3. Сигналы из одного пункта принимаются в другом, усиливаются и передаются далее и т.д.
В зависимости от способов (путей) распространения радиоволн и типов используемых радиосредств радиолинии делят на:
· радиорелейные (прямой видимости) – 15-23 ГГц, расстояние между соседними станциями до 50 км;
· тропосферные (радиорелейные тропосферные) – 0,3-5 ГГц (тропосфера- нижняя часть атмосферы 10-12 км);
· ионосферные (ионосфера – ионизированная часть атмосферы 50-200 км);
· спутниковые (например, глобальная спутниковая телефонная сеть "Глобалстар" с низкоорбитальными спутниками, система спутниковой связи Runnet с геостационарными спутниками "Радуга")
Рис. 1.3. Структурная схема радиолинии (Фидер – это специальная электрическая цепь от антенны к приемопередатчику).
В локальных компьютерных беспроводных сетях используются в основном радиоволны частотой от одного до нескольких гигагерц (например, RadioЕthernet) или в условиях высоких уровней электромагнитных помех инфракрасное излучение.
ВИДЫСИГНАЛОВ.
Проведем классификацию сигналов. Сигналы подразделяют на:
· детерминированные;
· случайные.
Детерминированными называют сигналы, которые точно определены в любые моменты времени. В отличие от них некоторые параметры случайных сигналов заранее предсказать невозможно.
Строго говоря, так как выдача источником сообщений (например, датчиком) того или иного конкретного сообщения случайна, то предсказать точно изменение значений параметров сигнала невозможно. Следовательно, сигнал принципиально имеет случайный характер. Детерминированные сигналы имеют весьма ограниченное самостоятельное значение только для целей наладки и регулировки информационной и вычислительной техники, играя роль эталонов.
В зависимости от структуры параметров сигналы подразделяются на:
· дискретные;
· непрерывные;
· дискретно-непрерывные.
Сигнал считают дискретным по данному параметру, если число значений, которое может принимать этот параметр, конечно (счетно). В противном случае сигнал считают непрерывным по данному параметру. Сигнал, дискретный по одному параметру и непрерывный по другому, называют дискретно-непрерывным.
В соответствии с этим выделяют следующие виды сигналов (рис. 1.4.):
а) Непрерывные по уровню и времени (аналоговые) – это сигналы на выходе микрофонов, датчиков температуры, давления и т.д.
б) Непрерывные по уровню, но дискретные по времени. Такие сигналы получают в результате дискретизации по времени аналоговых сигналов.
Рис. 1.4. Разновидности сигналов.
Под дискретизацией подразумевают преобразование функции непрерывного времени (в частности непрерывного сигнала) в функцию дискретного времени, представляющую последовательность величин, называемых координатами, выборками или отсчетами (sample value).
Наибольшее распространение получил метод дискретизации, при котором роль координат выполняют мгновенные значения непрерывной функции (сигнала), взятые в определенные моменты времени S(ti), где i=1,…,n. Временные интервалы между этими моментами называют интервалами выборки (sample interval). Такой вид дискретизации часто называют амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ).
в) Дискретные по уровню, непрерывные по времени. Такие сигналы получают из непрерывных в результате квантования по уровню.
Под квантованием по уровню (или просто квантованием) подразумевают преобразование некоторой величины с непрерывной шкалой значений (например, амплитуда сигнала) в величину, имеющую дискретную шкалу значений.
Эту непрерывную шкалу значений разбивают на 2m+1 интервалов, называемых шагами квантования. Из множества мгновенных значений, принадлежащих j-тому шагу квантования, только одно значение Sj является разрешенным, оно называется j-тым уровнями квантования. Квантование сводится к замене любого мгновенного значения непрерывного сигнала одним из конечного множества уровней квантования (обычно ближайшим):
Sj, где j=-m,-m+1,…,-1,0,1,…,m.
Совокупность значений Sj образует дискретную шкалу уровней квантования. Если эта шкала равномерна, т.е. разность ΔSj = Sj - Sj-1 постоянна, квантование называется равномерным. В противном случае – неравномерным. Благодаря простоте технической реализации равномерное квантование получило наиболее широкое распространение.
г) Дискретные по уровню и времени. Такие сигналы получают, осуществляя дискретизацию и квантование одновременно. Данные сигналы легко представить в цифровой форме (digital sample), т.е. в виде чисел с конечным числом разрядов, заменив каждый импульс числом, обозначающий номер уровня квантования, которого достиг импульс в конкретный момент времени. По этой причине данные сигналы часто называют цифровыми.
Толчком к представлению непрерывных сигналов в дискретной (цифровой) форме послужила необходимость засекречивания речевых сигналов во время 2-ой мировой войны. Еще большим стимулом к цифровому преобразованию непрерывных сигналов явилось создание ЭВМ, которые используются в качестве источника или приемника сигналов во многих системах передачи информации.
Приведем примеры цифрового преобразования непрерывных сигналов. Например, в цифровых телефонных системах (стандарт G.711) замена аналогового сигнала последовательностью отсчетов происходит с частотой 2F=8000 Гц, Тд = 125 мкс.(Так как диапазон частот телефонного сигнала составляет 300-3400 Гц, а частота выборки по теореме Найквиста-Котельникова должна быть как минимум в два раза больше максимальной частоты преобразовываемого сигнала F). Далее каждый импульс заменяется в 8-ми разрядном аналого-цифровом преобразователе (АЦП – ADC-Analog-to-Digital Converter) двоичным кодом, учитывающим знак и амплитуду отсчета (256 уровней квантования). Такой процесс квантования носит название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ или PCM – Pulse Code Modulation). При этом используется нелинейный закон квантования, названный "A=87,6", который лучше учитывает природу восприятия человеком речевых сигналов. Скорость передачи одного телефонного сообщения оказывается 8×8000=64 Кбит/с. 30-канальная система передачи телефонных сообщений (система первого уровня иерархии стандарта МККТТ – PDH-E1) с временным разделением каналов работает уже со скоростью 2048 Кбит/с.
При цифровой записи музыки на CD (Compact Disk - компакт-диск), вмещающим максимум 74 минуты стереозвучания, используют частоту дискретизации 2F≈44,1 КГц (так как предел слышимости человеческого уха 20 кГц плюс 10%-ный запас) и 16-ти разрядное линейное квантование каждой выборки (65536 уровней звукового сигнала, для речи достаточно 7-8 разрядов).
Использование дискретных (цифровых) сигналов резко снижает вероятность получения искаженной информации, потому что:
1) в этом случае применимы эффективные методы кодирования, которые обеспечивают обнаружение и исправление ошибок (см. тему 6);
2) можно избежать свойственного непрерывному сигналу эффекта накопления искажений в процессе их передачи и обработке, поскольку квантованный сигнал легко восстановить до первоначального уровня всякий раз, когда величина накопленных искажений приблизиться к половине шага квантования.
Кроме того, в этом случае обработку и хранение информации можно осуществлять средствами вычислительной техники.