книги / Теория информации

методами доступа или процедурами управ­ ления передачей информации, служащими для уведомления о том, какие абоненты бу­ дут осуществлять обмен сообщениями. При увеличении числа абонентов в многоточеч­ ной сети значительно возрастают задержки в передаче информации, а в полносвязных сетях существенно увеличиваются число линий связи и объем аппаратуры. Разреше­ ние этих проблем связано с использованием

коммутируемых сетей СПРС, ще абоненты связываются между собой не непосредственно, а через один или несколько узлов коммутации (УК).

Таким образом, коммутируемая СПРС представляет собой сово­ купность ОП, узлов коммутации и соединяющих их линий связи.

Основная задача современных СПРС - обеспечение широкого круга пользователей (людей или организаций) разнообразными ин­ формационными услугами, в число которых входит в первую очередь эффективная доставка сообщений из одного пункта в другой, удовлет­ воряющая требованиям по скорости, верности, времени задержки, надежности и стоимости.

Статистические характеристики потока вызовов изучаются мето­ дами теории массового обслуживания, в частности теории телетрафика. Эта теория позволяет установить требования к устройствам коммута­ ции и числу линий, при которых гарантируется удовлетворительное ка­ чество связи при заданном проценте отказов или времени ожидания.

Так, например, нагрузка телефонной сети зависит от количества, времени возникновения и продолжительности телефонных разговоров.

Под интенсивностью нагрузки понимается математическое ожи­ дание поступающей нагрузки, отнесенное к единице времени (в теле­ фонии - 1 ч). За единицу измерения интенсивности нагрузки прини­ мается эрланг (1часо-занятие). В течение суток нагрузка изменяется, час наибольшей нагрузки называют ЧНН. Каждый абонент в среднем дает нагрузку в интервале 0 ,0 6 ........0,15 Эрл. По этим значениям рас­ считывается телефонная сеть и ее коммутационные системы.

Источником информации в системе связи (см. рис. 2.1) является отправитель сообщения, а потребителем - ее получатель. В одних сис­ темах передачи информации источником и потребителем информации

может быть человек, а в других - различного рода автоматические ус­ тройства, компьютеры и т.д.

Преобразование сообщения в сигнал включает три операции:

-преобразование из неэлектрической формы в электрическую;

-первичное кодирование;

-преобразование с целью согласования характеристик сигнала

схарактеристиками канала связи.

Эти три операции могут быть независимыми либо совмещенными. На первом этапе сообщение с помощью датчиков преобразуется в

электрическую величину - первичный сигнал.

Основными первичными сигналами электросвязи являются: теле­ фонный (речевой), звукового вещания, факсимильный, телевизионный, телеграфный, передачи данных (например, ввод текста с клавиатуры).

Для того чтобы принятое сообщение наиболее точно соответствовало переданному, целесообразно осуществлять передачу сигналов в дискрет­ ной форме. Аналоговые сигналы преобразуются в дискретные в процессе квантования, при котором непрерывная область значений сигнала подраз­ деляется на дискретные области так, что все значения сигнала, попадаю­ щие в одну из этих областей, заменяются одним дискретным значением. Квантование при этом проходит не только по какому-то параметру сигна­ ла, например по амплитуде, но еще и по времени.

Второй этап преобразования сообщения в сигнал - кодирование - заключается в преобразовании букв, чисел, знаков в определенные сочетания элементарных дискретных символов, обозначаемых кодовы­ ми комбинациями или словами. Правило этого преобразования называ­ ется кодом. Целью кодирования, как правило, является согласование источника сообщений с каналами связи, обеспечивающее либо мак­ симально возможную скорость передачи информации, либо заданную помехоустойчивость. Согласование осуществляется с учетом статисти­ ческих свойств источника сообщений и характера воздействия помех.

На третьем этапе осуществляется преобразование первичных сиг­ налов u(t) в сигналы, удобные для передачи по линии связи (по форме, мощности, частоте и т. д.). Эти операции выполняются в передатчике. В простейшем случае передатчик может содержать усилитель первич­ ных сигналов или только фильтр, ограничивающий полосу передавае­ мых частот. В большинстве случаев передатчик—генератор переносчика (несущей) и модулятор. Процесс модуляции заключается в управлении

стоверности являются помехи. Таким образом, верность передачи со­ общений самым тесным образом связана с помехоустойчивостью сис­ темы, т.е. ее способностью противостоять мешающему воздействию посторонних сигналов. Система является тем более помехоустой­ чивой, чем более высокую верность передачи она обеспечивает при заданных характеристиках мешающих воздействий и определенной мощности передаваемых сигналов, отображающих состояние источ­ ника. Количественную меру достоверности выбирают по-разному, в зависимости от характера сообщения.

Если сообщение представляет собой дискретную последовательность элементов из некоторого конечного множества, влияние помехи проявляет­ ся в том, что вместо фактически переданного элемента может быть принят какой-либо другой. Такое событие называется ошибкой. В качестве ко­ личественной меры достоверности можно принять вероятность ошибки р или любую возрастающую функцию этой вероятности.

Косвенной мерой качества может служить оценка степени искаже­ ния формы принимаемых стандартных сигналов (краевые искажения, дробления, флуктуации фронтов и т. д.). Эти искажения также норми­ руются для дискретных каналов. Имеются простые соотношения для пересчета искажений формы сигнала в вероятность ошибки.

При передаче непрерывных сообщений степенью соответствия при­ нятого сообщения v(t) переданному u(t) может служить некоторая величи­ на е, представляющая собой отклонение v от и. Часто принимается крите­ рий квадратичного отклонения, выражающийся соотношением:

Среднеквадратическое отклонение ё 2 учитывает влияние на при­ нятое сообщение v(t) как помех, так и всевозможных искажений (ли­ нейных, нелинейных).

Достоверность передачи зависит от отношения мощностей сигнал/помеха. Чем больше это отношение, тем меньше вероятность ошибки (больше достоверность).

При данной интенсивности помехи вероятность ошибки тем мень­ ше, чем сильнее различаются между собой сигналы, соответствующие разным элементам сообщения. Задача состоит в том, чтобы выбрать для передачи сигналы с большим различием.

Достоверность зависит и от способа приема. Нужно выбрать та­ кой способ приема, который наилучшим образом реализует различие между сигналами при данном отношении сигнала к помехе. Правиль­ но сконструированный приемник может увеличить отношение сигна­ ла к помехе и притом весьма значительно.

Косвенная оценка качества передачи непрерывных сообщений приводится по характеристикам каналов (частотным, амплитудным, фазовым, уровню помех и т.д.), по некоторым параметрам сигналов и помех (коэффициент искажений, отношение сигнал - помеха и т. д.), по субъективному восприятию сообщений. Качество телефонной свя­ зи, например, можно оценивать по разборчивости речи.

Есть существенное различие между системами передачи дискрет­ ных и непрерывных сообщений. В аналоговых системах всякое, даже сколь угодно малое мешающее воздействие на сигнал, вызывающее искажение модулируемого параметра, всегда влечет за собой внесение соответствующей ошибки в сообщение. В системах передачи дискрет­ ных сообщений ошибка возникает только тогда, когда сигнал воспро­ изводится (опознается) неправильно, а это происходит лишь при срав­ нительно больших искажениях.

Е теории помехоустойчивости, разработанной В.А. Котельниковым, показывается, что при заданном методе кодирования и модуляции сущест­ ву61' предельная (потенциальная) помехоустойчивость, которая в реальном приемнике может быть достигнута, но не может быть превзойдена. При­ емное устройство, реализующее потенциальную помехоустойчивость, на­ зывается оптимальным приемником.

Наряду с достоверностью (помехоустойчивостью) важнейшим показателем работы системы связи является скорость передачи. В системах передачи дискретных сообщений скорость измеряется числом передаваемых двоичных символов в секунду R. Для одного ка­ нала сер о сть передачи определяется соотношением

Т - длительность элементарной посылки сигнала; m - основа­ ние к0 да При т - 2 имеем R = 1/7’= v, Бод.

Максимально возможную скорость передачи /?шкс принято называть Пропускной способностью системы. Пропускную способность системы передачи аналоговых сообщений оценивают количеством однОвременно передаваемых телефонных разговоров, радиовещатель­ ных иди телевизионных программ и т.п.

R = j log2m,

Пропускную способность системы R ^ не следует путать с пропус­ кной способностью канала связи С (см. гл. 4). Пропускная способность системы связи - понятие техническое, характеризующее используемое оборудование, тоща как пропускная способность канала определяет потен­ циальные возможности канала по передаче информации. В реальных сис­ темах скорость передачи R всегда меньше пропускной способности канала С. В теории информации доказывается, что при R < C можно найти такие способы передачи и соответствующие им способы приема, при которых достоверность передачи может быть сделана сколь угодно большой.

Из рассмотренного следует, что количество и качество передаваемой информации в канале связи в основном определяется помехами в канале. Поэтому при проектировании и эксплуатации систем связи необходимо добиваться не только малых искажений принятого первичного сигнала, но и заданного превышения сигнала над помехами. Обычно нормируется от­ ношение сигнал - помеха для принимаемых первичных сигналов.

Важной характеристикой системы связи является задержка. Под за­ держкой понимается максимальное время, прошедшее между моментом подачи сообщения от источника на вход передающего устройства и мо­ ментом выдачи восстановленного сообщения приемным устройством. За­ держка зависит, во-первых, от характера и протяженности канала, во-вто­ рых, от длительности обработки в передающем и приемном устройствах.

Контрольные вопросы

1.Что понимается под сообщением и сигналом?

2.Нарисуйте функциональную схему системы передач

информации.

3.Что называется каналом связи? Какие типы каналов Вы знаете?

4.Как происходит преобразование непрерывного сообщения в

сигнал?

5.Что такое достоверность передачи и как она определяется количественно?

6.Дайте определение основным характеристикам сигнала.

7.Что такое модуляция?

8. Каким образом восстанавливается переданное сообщение

вприемнике?

9.Какими параметрами определяется качество передачи инфор­ мации и количество переданной информации?

10.Что понимается под пропускной способностью системы связи?

В носителе u{t) = const имеется только один информативный па­ раметр - уровень (например, уровень напряжения). При использоваг нии гармонических электрических колебаний информативными могут стать такие параметры, как амплитуда, частота, фаза. Колебания при­ нято подразделять на детерминированные и случайные.

Детерминированными называют колебания, которые точно опре­ делены в любые моменты времени.

Случайные колебания отличаются тем, что значения их некоторых параметров предсказать невозможно. Они могут рассматриваться как сигналы, когда несут интересующую нас информацию (случайные сигналы), или как помехи, когда мешают наблюдению интересующих нас сигналов.

При изучении общих свойств каналов связи, сигналов и помех мы отвлекаемся от их конкретной физической природы, содержания и назначения, заменяя моделями. Модель - это выбранный способ описания объекта, процесса или явления, отражающий существенные с точки зрения решаемой задачи факторы.

Задачи повышения эффективности функционирования информа­ ционных систем связаны с установлением количественных соотно­ шений между основными параметрами, характеризующими источник информации и канал связи. Поэтому при исследовании используют математические модели. Математическое моделирование может быть реализовано различными методами в зависимости от способа, кото­ рым определяются интересующие нас показатели.

Фундаментальные исследования базируются на методе аналити­ ческого моделирования, заключающемся в создании совокупности математических соотношений, позволяющих выявить зависимости между параметрами модели в общем виде. При этом широко исполь­ зуются модели, параметры которых противоречат физическим свойс­ твам реальных объектов. Например, модель сигнала часто представля­ ется суммой бесконечного числа функций, имеющих неограниченную продолжительность (синусоид). Поэтому важно обращать внимание на условия, при которых это не мешает получать результаты, соответс­ твующие наблюдаемым в действительности.

Так как источник сообщений выдает каждое сообщение с некото­ рой вероятностью, то точно предсказать изменения значения инфор­ мативного параметра невозможно. Следовательно, сигнал принципи­

ально представляет собой случайное колебание и его аналитической моделью может быть только случайный процесс, определяемый веро­ ятностными характеристиками.

Тем не менее в случае детерминированного колебания условно также говорят о детерминированном сигнале. Такой сигнал отображает известное сообщение, которое нет смысла передавать. Ему соответс­ твует модель в виде функции, полностью определенной во времени.

Изучение моделей детерминированных сигналов необходимо по многим причинам. Важнейшая из них заключается в том, что результа­ ты анализа детерминированных сигналов являются основой для изучения более сложных случайных сигналов. Это обусловлено тем, что детерми­ нированный сигнал может рассматриваться как элемент множества детер­ минированных функций, составляющих в совокупности случайный про­ цесс. Детерминированное колебание, таким образом, представляет собой вырожденную форму случайного процесса со значениями параметров, известны в любой момент времени с вероятностью, равной единице. Де­ терминированные сигналы имеют и самостоятельное значение. Они спе­ циально создаются для целей измерения, наладки и регулирования объек­ тов информационной техники, выполняя роль эталонов.

Сущность большинства задач анализа реальных сигналов состоит в том, чтобы эти сигналы представить в виде совокупности простых элементарных сигналов, удобном для последующего анализа их про­ хождения через те или иные цепи. Например, реальный сигнал может быть представлен в виде суммы ортогональных составляющих (эле­ ментарных сигналов)

многими способами. Интервал [*,, f2] показывает время действия сигнала. Так как система ортогональных функций (уД )}, применяемая для разложе­ ния, заранее известна, то сигнал полностью определяется набором весовых коэффициентов ак,к= 1,2,..., для этих функций. При приближенном пред­ ставлении сигналов, что всегда имеет место в инженерной практике, набор чисел {ак} конечен. Такие наборы чисел называют спектрами сигналов.

Спектры, как известно из теории связи, являются удобной аналитической формой представления сигналов в рамках линей­ ной теории. Основная задача - правильный выбор системы орто­