В общем случае под каналом передачи информации понимают всю совокупность технических средств, обеспечивающих передачу электрических сигналов от источника сообщений к потребителю. При рассмотрении каналов линию связи чаще всего полагают заданной (считается, что все необходимые характеристики линии связи известны) и все задачи анализа и синтеза каналов передачи информации сводятся к анализу и синтезу операторов преобразования сигналов в передатчике, приемнике и других устройствах.
Каналы передачи информации классифицируют по различным признакам: по назначению, по характеру линий связи, по диапазону частот, по характеру сигналов на входе и выходе каналов и т. п. По назначению каналы делятся на телефонные,
телеграфвые, телевизионные, фототелеграфные, звукового вещания, телеметрические, передачи данных и др. В зависимости от того, распространяются ли сигналы в свободном пространстве или по направляющим линиям, различают каналы радиосвязи и каналы проводной связи: воздушные, кабельные, волноводные, световодные и др. По воздушным проводным линиям связи передают сигналы в диапазоне 0-160 кГц. На более высоких частотах возрастает влияние помех, резко увеличивается затухание сигналов, сказывается влияние радиовещательных станций длинноволнового диапазона. Существенный недостаток воздушных проводных линий связи - большая зависимость их характеристик от атмосферных условий. Значительно лучшими характеристиками и большей устойчивостью в работе обладают кабельные линии связи. Они являются основой сетей магистральной дальней связи, по ним передают сигналы в диапазоне частот от 600 кГц до 60 МГц. С дальнейшим увеличением частоты затухание сигналов резко возрастает.
В настоящее время ведутся интенсивные теоретические и экспериментальные работы по исследованию металлических волноводов. Полученные результаты позволяют надеяться, что эти линии связи будут широко использоваться для передачи сигналов в диапазоне 35-80 ГГц (длина волны 8,6-3,75 мм). Перспективен круглый волновод с внутренним диаметром 6 см, по которому молено организовать более 200 000 стандартных телефонных каналов (каналов тональной частоты с эффективно используемой полосой частот от 300 до 3400 Гц) или около 200 телевизионных каналов . Экономические расчеты показывают, что при организации телефонных каналов до 30000 еще целесообразно применять коаксиальный кабель, свыше 30 000 каналов - волновод. Еще большее число стандартных каналов можно организовать, используя оптические системы связи, в которых применяют сигналы в полосе частот 600-900 ТГц (0,5-0,3 мкм). Используя закрытые направляющие системы, которые получили название световодов, можно осуществить устойчивую связь на большие расстояния. Большой практический интерес представляют диэлектрические гибкие волоконные световоды.
Наряду с проводными линиями связи широко используют радиолинии различных диапазонов. Эти линии во многих случаях более экономичны, позволяют быстро организовать сверхдальнюю (глобальную) связь без промежуточных станций. Кроме того, и это очень важно, - эти линии являются единственным средством связи с подвижными объектами (воздушными судами, космическими кораблями, морскими судами, включая и подводные лодки, автомобилями и пр.).
Наибольшее распространение для передачи многоканальных сообщений получили наземные радиорелейные линии, работающие в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах волн на частотах от 60 МГц до 15 ГГц. На этих частотах обеспечивается широкая полоса тракта передачи, необходимая для многоканальной телефонной и телевизионной связи, мал уровень
атмосферных и промышленных помех. Все это обеспечивает высокую помехоустойчивость передачи информации.
Разновидностью радиорелейных линий являются тропосферные линии, в которых принимаются сигналы, отраженные от неоднородностей тропосферы. Использование дальнего тропосферного распространения радиоволн позволяет создать линии дальней радиосвязи с расстояниями между ретрансляционными станциями в несколько сотен километров. Эти линии работают чаще всего в диапазоне частот от 0,5 до 6 ГГц.
Перспективны спутниковые линии связи. По принципу работы они представляют разновидность радиорелейных линий, ретрансляторы которых находятся на искусственных спутниках Земли. Существенным преимуществом спутниковых линий является большая дальность связи, которая при одном спутнике (ретрансляторе) составляет около 10 000 км. При использовании системы спутников можно организовать глобальную связь - между любыми пунктами Земли. Спутниковые линии связи работают в диапазоне частот 4-6 ГГц. В настоящее время отведено шесть новых частотных диапазонов от 11 до 250 ГГц, освоение которых позволит существенно повысить качественные показатели спутниковой связи. Спутниковые системы связи, особенно с цифровыми методами передачи сигналов, перспективны и в гражданской авиации, особенно с выходом на воздушные трассы сверхзвуковых пассажирских судов.
Как видим, для современных методов и средств передачи информации характерен переход на все более высокие частоты. Это обусловлено следующими основными причинами: применение высоких частот позволяет получить остронаправленное излучение при малых размерах антенн; в высокочастотных диапазонах меньшее влияние оказывают атмосферные и промышленные помехи; чем выше несущая частота, тем большее число каналов можно организовать без взаимных помех; только в высокочастотных диапазонах, начиная с метрового, можно организовать большое число широкополосных каналов, таких, например, как каналы видеотелефонной связи и телевизионные каналы.
Одной из основных задач анализа каналов передачи информации является анализ искажений передаваемых по ним сигналов. Более всего на качестве передачи информации сказываются искажения формы сигналов, определяемые реальными амплитудными и частотными характеристиками каналов, а также многолучевым распространением радиоволн. Математические модели для полного анализа искажений в реальных каналах достаточно сложны.
Для общего приближенного анализа искажений канал рассматривают как эквивалентный четырехполюсник, работа которого описывается определенным оператором Если входной сигнал то сигнал на выходе канала Для более детального анализа искажений канал связи представляют как последовательное соединение линейного, в общем случае инерционного, и нелинейного неинерционного четырехполюсников, в
которых и происходят линейные и нелинейные искажения сигналов. Если в состав канала входят модулятор и демодулятор или учитываются замирания сигналов, то к этим четырехполюсникам последовательно включают еще и четырехполюсник с переменными параметрами. Если требуется анализировать работу отдельных устройств канала, число последовательно соединенных четырехполюсников увеличивают. Например, для анализа радиоканала передачи дискретных сообщений часто используют структурную схему, представленную на рис. 1,1.
Рис. 1.1. Структурная схема канала передачи информации
Канал рассматривается как последовательное соединение кодера, первого и второго модулятора, линии связи, первого и второго демодулятора и декодера. Использование модели канала в виде эквивалентного четырехполюсника (или последовательного соединения четырехполюсников) позволяет решить ряд задач анализа и синтеза каналов методами теории радиотехнических цепей и статистической радиотехники .
По характеру сигналов на входе и выходе каналов различают дискретные, непрерывные, дискретно-непрерывные и непрерывно-дискретные каналы. Дискретным каналом, например в схеме рис. 1.1, является канал, рассматриваемый от входа кодера до выхода декодера или от входа первого модулятора до выхода второго демодулятора. Если рассматривать совокупность технических средств от выхода первого или второго модулятора до входа первого или второго демодулятора, то в любой системе передачи информации эта совокупность образует непрерывный канал. Примером дискретно-непрерывного канала служит совокупность технических средств от входа первого модулятора до входа первого или второго демодулятора. Непрерывно-дискретный канал образуется, если анализировать в схеме рис. 1.1 прохождение сигналов от выхода первого или второго модулятора до выхода второго демодулятора или в общем случае до выхода декодера. Таким образом, на основе непрерывного канала (на рис. 1.1 он показан штриховой
линией) образуются каналы всех других видов. Поэтому изучению непрерывных каналов уделяют большое внимание.
Математические модели для исследования каналов строят с учетом рассмотренной классификации. По существу разработка модели сводится к определению структуры и параметров эквивалентного оператора преобразования сигнала в канале. В зависимости от типа этого оператора различают каналы: линейные, нелинейные, инерционные, безынерционные, стационарные, нестационарные, детерминированные, вероятностные и др. Наиболее изучены линейные инерционные каналы с постоянными параметрами.
Если передаваемый сигнал рассматривается как случайный процесс, что значительно приближает модели сигналов к реальным, то при анализе прохождения сигнала через канал необходимо анализировать прохождение случайных процессов через четырехполюсники, описываемые различными операторами. Такие задачи решают в статистической радиотехнике , результаты решения этих задач находят непосредственное применение при анализе каналов передачи информации.
Как и для сигналов, для каналов удобно использовать такие физические характеристики, как время занятости канала полоса пропускания (прозрачности) канала, диапазон допустимых уровней сигналов при передаче по каналу, база канала емкость канала
Распространение информации происходит в процессе ее передачи.
При передаче информации всегда есть два объекта – источник и приемник информации. Эти роли могут меняться, например, во время диалога каждый из участников выступает то в роли источника, то в роли приемника информации.
Информация проходит от источника к приемнику через канал связи, в котором она должна быть связана с каким-то материальным носителем. Для передачи информации свойства этого носителя должны изменяться со временем. Так лампочка, которая все время горит, передает информацию только о том, что какой-то процесс идет. Если же включать и выключать лампочку, можно передавать самую разную информацию, например, с помощью азбуки Морзе.
При разговоре людей носитель информации – это звуковые волны в воздухе. В компьютерах информация передается с помощью электрических сигналов или радиоволн (в беспроводных устройствах). Информация может передаваться с помощью света, лазерного луча, системы телефонной или почтовой связи, компьютерной сети и др.
Информация поступает по каналу связи в виде сигналов, которые приемник может обнаружить с помощью своих органов чувств (или датчиков) и «понять» (раскодировать).
Сигнал – это изменение свойств носителя, которое используется для передачи информации.
Примеры сигналов – это изменение частоты и громкости звука, вспышки света, изменение напряжения на контактах и т.п.
Человек может принимать сигналы только с помощью своих органов чувств. Чтобы передавать информацию, например, с помощью радиоволн, нужны вспомогательные устройства: радиопередатчик, преобразующий звук в радиоволны, и радиоприемник, выполняющий обратное преобразование. Они позволяют расширить возможности человека.
С помощью одного сигнала невозможно передать много информации. Поэтому чаще всего используется не одиночный сигнал, а последовательность сигналов, то есть сообщение. Важно понимать, что сообщение – это только «оболочка» для передачи информации, а информация – это содержание сообщения. Приемник должен сам «извлечь» информацию из полученной последовательности сигналов. Можно принять сообщение, но не принять информацию, например, услышав речь на незнакомом языке или перехватив шифровку.
Одна и та же информация может быть передана с помощью разных сообщений, например, через устную речь, с помощью записки или с помощью флажного семафора, который используется на флоте. В то же время одно и то же сообщение может нести разную информацию для разных приемников. Так фраза «В Сантьяго идет дождь», переданная в 1973 году на военных радиочастотах, для сторонников генерала А. Пиночета послужила сигналом к началу государственного переворота в Чили.
Таким образом, информация представляется и передается в форме последовательности сигналов, символов. От источника к приёмнику сообщение передается через некоторую материальную среду. Если в процессе передачи используются технические средства связи, то их называют каналами передачи информации (информационными каналами). К ним относятся телефон, радио, ТВ. Органы чувств человека исполняют роль биологических информационных каналов.
Процесс передачи информации по техническим каналам связи проходит по следующей схеме (по Шеннону):
Передача информации возможна с помощью любого языка кодирования информации, понятного как источнику, так и приёмнику.
Кодирующее устройство – устройство, предназначенное для преобразования исходного сообщения источника информации к виду, удобному для передачи.
Декодирующее устройство – устройство для преобразования кодированного сообщения в исходное.
Пример. При телефонном разговоре: источник сообщения – говорящий человек; кодирующее устройство – микрофон – преобразует звуки слов (акустические волны) в электрические импульсы; канал связи – телефонная сеть (провод); декодирующее устройство – та часть трубки, которую мы подносим к уху, здесь электрические сигналы снова преобразуются в слышимые нами звуки; приёмник информации – слушающий человек.
Термином «шум» называют разного рода помехи, искажающие передаваемый сигнал и приводящие к потере информации. Такие помехи, прежде всего, возникают по техническим причинам: плохое качество линий связи, незащищенность друг от друга различных потоков информации, передаваемой по одним и тем же каналам. Для защиты от шума применяются разные способы, например, применение разного рода фильтров, отделяющих полезный сигнал от шума. Существует наука, разрабатывающая способы защиты информации – криптология, широко применяющаяся в теории связи.
Клодом Шенноном была разработана специальная теория кодирования, дающая методы борьбы с шумом. Одна из важных идей этой теории состоит в том, что передаваемый по линии связи код должен быть избыточным. За счет этого потеря какой-то части информации при передаче может быть компенсирована. Однако нельзя делать избыточность слишком большой. Это приведёт к задержкам и подорожанию связи. Иными словами, чтобы содержание сообщения, искаженного помехами, можно было восстановить, оно должно быть избыточным, то есть, в нем должны быть «лишние» элементы, без которых смысл все равно восстанавливается. Например, в сообщении «Влг впдт в Кспск мр» многие угадают фразу «Волга впадает в Каспийское море», из которой убрали все гласные. Этот пример говорит о том, что естественные языки содержат много «лишнего», их избыточность оценивается в 60-80%.
При обсуждении темы об измерении скорости передачи информации можно привлечь прием аналогии. Аналог – процесс перекачки воды по водопроводным трубам. Здесь каналом передачи воды являются трубы. Интенсивность (скорость) этого процесса характеризуется расходом воды, т.е. количеством литров, перекачиваемых за единицу времени. В процессе передачи информации каналами являются технические линии связи. По аналогии с водопроводом можно говорить об информационном потоке, передаваемом по каналам. Скорость передачи информации – это информационный объем сообщения, передаваемого в единицу времени. Поэтому единицы измерения скорости информационного потока: бит/с, байт/с и др.
Еще одно понятие – пропускная способность информационных каналов – тоже может быть объяснено с помощью «водопроводной» аналогии. Увеличить расход воды через трубы можно путем увеличения давления. Но этот путь не бесконечен. При слишком большом давлении трубу может разорвать. Поэтому предельный расход воды, который можно назвать пропускной способностью водопровода. Аналогичный предел скорости передачи данных имеют и технические линии информационной связи. Причины этому также носят физический характер.
Каналы связи (КС) служат для передачи сигнала и являются общим звеном любой системы передачи информации.
По физической природе каналы связи подразделяются на механические, используемые для передачи материальных носителей информации, акустические , оптические и электрические , передающие соответственно звуковые, световые и электрические сигналы.
Электрические и оптические каналы связи в зависимости от способа передачи сигналов можно подразделить на проводные, использующие для передачи сигналов физические проводники (электрические провода, кабели, световоды), и беспроводные, использующие для передачи сигналов электромагнитные волны (радиоканалы, инфракрасные каналы).
По форме представления передаваемой информации каналы связи делятся на аналоговые , по которым информация передается в непрерывной форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины, и цифровые, передающие информацию, представленную в виде цифровых (дискретных, импульсных) сигналов различной физической природы.
В зависимости от возможных направлений передачи информации каналы связи подразделяются на симплексные, позволяющие передавать информацию только в одном направлении; полудуплексные , обеспечивающие попеременную передачу информации как в прямом, так и в обратном направлениях; дуплексные , позволяющие вести передачу информации одновременно в прямом и обратном направлениях.
Каналы связи бывают коммутируемые , которые создаются из отдельных участков (сегментов) только на время передачи по ним информации, а по окончании передачи такой канал ликвидируется (разъединяется), и некоммутируемые (выделенные), создаваемые на длительное время и имеющие постоянные характеристики по длине, пропускной способности, помехозащищенности.
Широко используемые в автоматизированных системах обработки информации и управления электрические проводные каналы связи различаются по пропускной способности:
низкоскоростные, скорость передачи информации в которых от 50 до 200 бит/с. Это телеграфные каналы связи, как коммутируемые (абонентский телеграф), так и некоммутируемые;
среднескоростные, использующие аналоговые (телефонные) каналы связи; скорость передачи в них от 300 до 9600 бит/с, а в новых стандартах V.32 - V.34 Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ) и от 14400 до 56 000 бит/с;
высокоскоростные (широкополосные), обеспечивающие скорость передачи информации свыше 56 000 бит/с.
Для передачи информации в низкоскоростных и среднескоростных КС физической средой обычно являются проводные линии связи: группы либо параллельных, либо скрученных проводов, называемых витая пара. Она представляет собой изолированные проводники, попарно свитые между собой для уменьшения как перекрестных электромагнитных наводок, так и затухания сигнала при передаче на высоких частотах.
Для организации высокоскоростных (широкополосных) КС используются различные кабели:
Экранированные с витыми парами из медных проводов;
Неэкранированные с витыми парами из медных проводов;
Коаксиальные;
Оптоволоконные.
STP-кабели (экранированные с витыми парами из медных проводов) имеют хорошие технические характеристики, но неудобны в работе и дороги.
UTP-кабели (неэкранированные с витыми парами из медных проводов) довольно широко используются в системах передачи данных, в частности в вычислительных сетях.
Выделяют пять категорий витых пар: первая и вторая категории используются при низкоскоростной передаче данных; третья, четвертая и пятая - при скоростях передачи соответственно до 16,25 и 155 Мбит/с. Эти кабели обладают хорошими техническими характеристиками, сравнительно недороги, удобны в работе, не требуют заземления.
Коаксиальный кабель представляет собой медный проводник, покрытый диэлектриком и окруженный свитой из тонких медных проводников экранирующей защитной оболочкой. Скорость передачи данных по коаксиальному кабелю довольно высокая (до 300 Мбит/с), но он недостаточно удобен в работе и имеет высокую стоимость.
Оптоволоконный кабель (рис. 8.2) состоит из стеклянных или пластиковых волокон диаметром несколько микрометров (свето-ведущая жила) с высоким показателем преломления п с, окруженных изоляцией с низким показателем преломления n 0 и помещенных в защитную полиэтиленовую оболочку. На рис. 8.2, а показано распределение показателя преломления по сечению оптоволоконного кабеля, а на рис. 8.2, б - схема распространения лучей. Источником излучения, распространяемого по оптоволоконному кабелю, является светодиод или полупроводниковый лазер, приемником излучения - фотодиод, который преобразует световые сигналы в электрические. Передача светового луча по волокну основана на принципе полного внутреннего отражения луча от стенок световедущей жилы, за счет чего обеспечивается минимальное затухание сигнала.
Рис. 8.2. Распространение лучей по оптоволоконному кабелю:
а - распределение показателя преломления по сечению оптоволоконного кабеля;
б - схема распространения лучей
Кроме того, оптоволоконные кабели обеспечивают защиту передаваемой информации от внешних электромагнитных полей и высокую скорость передачи до 1000 Мбит/с. Кодирование информации осуществляется с помощью аналоговой, цифровой или импульсной модуляции светового луча. Оптоволоконный кабель достаточно дорогой и используется обычно лишь для прокладки ответственных магистральных каналов связи, например, проложенный по дну Атлантического океана кабель связывает Европу с Америкой. В вычислительных сетях оптоволоконный кабель используется на наиболее ответственных участках, в частности, в Internet. По одному толстому магистральному оптоволоконному кабелю можно одновременно организовать несколько сотен тысяч телефонных, несколько тысяч видеотелефонных и около тысячи телевизионных каналов связи.
Высокоскоростные КС организуются на базе беспроводных радиоканалов.
Радиоканал - это беспроводный канал связи, прокладываемый через эфир. Для формирования радиоканала используются радиопередатчик и радиоприемник. Скорости передачи данных по радиоканалу практически ограничиваются полосой пропускания приемопередающей аппаратуры. Радиоволновый диапазон определяется используемой для передачи данных частотной полосой электромагнитного спектра. В табл. 8.1 представлены диапазоны радиоволн и соответствующие им частотные полосы.
Для коммерческих телекоммуникационных систем чаще всего используются частотные диапазоны 902 - 928 МГц и 2,40 - 2,48 ГГц.
Беспроводные каналы связи обладают плохой помехозащищенностью, но обеспечивают пользователю максимальную мобильность и быстроту реакции.
Телефонные линии связи наиболее разветвлены и распространены. Они осуществляют передачу звуковых (тональных) и факсимильных сообщений. На базе телефонной линии связи построены информационно-справочные системы, системы электронной почты и вычислительных сетей. На базе телефонных линий могут быть созданы аналоговые и цифровые каналы передачи информации.
В аналоговых телефонных линиях телефонный микрофон преобразует звуковые колебания в аналоговый электрический сигнал, который и передается по абонентской линии в АТС. Требуемая для передачи человеческого голоса полоса частот составляет примерно 3 кГц (диапазон 300 Гц -3,3 кГц). Передача сигналов вызова производится по тому же каналу, что и передача речи.
В цифровых каналах связи аналоговый сигнал перед вводом дискретизируется - преобразуется в цифровую форму: каждые 125 мкс (частота дискретизации равна 8 кГц) текущее значение аналогового сигнала отображается 8-разрядным двоичным кодом.
Таблица 8.1
Диапазоны радиоволн и соответствующие им частотные полосы
Рассмотрим каналы, отличающиеся по типу используемых в них линий связи.
1. Механические , в которых для передачи информации используется перемещение каких-либо твердых, жидких или газообразных тел. В первом случае могут использоваться рычаги или тросы (например − органы управления автомобилем), во втором – гидравлические системы (например − тормозная система автомобиля), в третьем – разного рода пневматические устройства (широко используются, например, в газовой промышленности).
2. Акустические . Используют механические колебания звуковой и ультразвуковой частоты, особенно хорошо распространяющиеся в жидких средах. Широко применяются, например, для передачи информации людям или устройствам, находящимся под водой или в другой жидкой среде, а также при проведении медицинских исследований (УЗИ). Акустический канал в газовой среде – едва ли не основной для передачи информации между людьми (речь). Акустические сигналы низкой интенсивности безвредны для здоровья человека.
4. Электрические каналы. Наиболее распространены в настоящее время при передаче информации на малые расстояния. Основа – проводные линии связи.
5. Радиоканалы. Как и оптические, используют для передачи информации электромагнитные волны. Однако намного более низкой частоты. Благодаря способности таких волн огибать препятствия и отражаться от плазменных слоев, окружающих Землю, становится возможным передача информации на большие расстояния, в том числе в масштабе всей Земли. Эти преимущества, однако, являются источником недостатков. Радиоканалы сильно подвержены влиянию помех и менее скрытны. Радиоканал, наряду с оптическим, может использоваться для подключения к компьютерной сети Интернет в районах со слаборазвитой инфраструктурой проводной электросвязи.
Конец работы -
Эта тема принадлежит разделу:
Теория информации и кодирования
Сочинский государственный университет.. туризма и курортного дела.. Факультет информационных технологий и математики..
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
| Твитнуть |
Все темы данного раздела:
Курс лекций
Эффективная организация обмена информации приобретает все большее значение как условие успешной практической деятельности людей. Объем информации, необходимый для нормального функционирования совре
Определение понятия информация
Слово информация происходит от латинского informare – изображать, составлять понятие о чем-либо, осведомлять.
Информация наряду с материей и энергией является первичны
Фазы обращения информации
Система управления состоит из объекта управления, комплекса технических средств, состоящего из компьютера, входящих в его состав устройств ввода-вывода и хранения информации, устройств сбора переда
Некоторые определения
Данные или сигналы, организованные в определенные последовательности, несут информацию не потому, что они повторяют объекты реального мира, а по общественной договоренности о кодировании, т.е. одно
Меры информации
Прежде, чем перейти к мерам информации, укажем, что источники информации и создаваемые ими сообщения разделяются на дискретные и непрерывные. Дискретные сообщения слагаются из конечно
Геометрическая мера
Определение количества информации геометрическим методом сводится к измерению длины линии, площади или объема геометрической модели данного носителя информации или сообщения. По геометрическим разм
Аддитивная мера (мера Хартли)
Аддитивную меру можно рассматривать как более удобную для ряда применений комбинаторную меру. Наши интуитивные представления об информации предполагают, чтобы количество информации увеличивалось пр
Энтропия и ее свойства
Существует несколько видов статистических мер информации. В дальнейшем будем рассматривать только одну их них ─ меру Шеннона. Мера Шеннона количества информации тесно связана с понятие
Энтропия и средняя энтропия простого события
Рассмотрим подробнее понятие энтропии в разных вариантах, так как оно используется в шенноновской теории информации. Энтропия - мера неопределенности некоторого опыта. В простейшем случае его ис
Метод множителей Лагранжа
Вывод формулы среднего значения энтропии на букву сообщения
Энтропия сложного события, состоящего из нескольких зависимых событий
Избыточность сообщения
Содержательность информации
Целесообразность информации
Динамическая энтропия
Энтропия непрерывных сообщений
Первый случай (значения сл. величины ограничены интервалом)
Второй случай (заданы дисперсия и математическое ожидание сл. величины)
Квантование сигналов
Виды дискретизации (квантования)
Критерии точности представления квантованного сигнала
Элементы обобщенной спектральной теории сигналов
О практическом использовании теоремы Котельникова
Выбор периода дискретизации (квантования по времени) по критерию наибольшего отклонения
Интерполяция при помощи полиномов Лагранжа
Оценка максимального значения ошибки при получении воспроизводящей функции на основе полинома Лагранжа
Обобщение на случай использования полиномов Лагранжа произвольного порядка
Выбор интервала дискретизации по критерию среднеквадратического отклонения
Оптимальное квантование по уровню
Расчет неравномерной оптимальной в смысле минимума дисперсии ошибки шкалы квантования
Общие понятия и определения. Цели кодирования
Элементы теории кодирования
Неравенство Крафта
Теорема 2.
Теорема 3.
Теорема о минимальной средней длине кодового слова при поблочном кодировании (теорема 4)
Оптимальные неравномерные коды
Лемма 1. О существовании оптимального кода с одинаковой длиной кодовых слов двух наименее вероятных кодируемых букв
Лемма 2. Об оптимальности префиксного кода нередуцированного ансамбля, если префиксный код редуцированного ансамбля оптимален
Особенности эффективных кодов
Помехоустойчивое кодирование
Простейшие модели цифровых каналов связи с помехами
Расчет вероятности искажения кодового слова в ДСМК
Общие принципы использования избыточности
Граница Хэмминга
Избыточность помехоустойчивых кодов
Линейные коды
Определение числа добавочных разрядов m
Построение образующей матрицы
Порядок кодирования
Порядок декодирования
Двоичные циклические коды
Некоторые свойства циклических кодов
Построение кода с заданной корректирующей способностью
Матричное описание циклических кодов
Выбор образующего полинома
Пропускная способность каналов связи
Пропускная способность дискретного канала связи с шумом
Типичные последовательности и их свойства
Основная теорема Шеннона для дискретного канала с шумом
Обсуждение основной теоремы Шеннона для канала с шумом
Пропускная способность непрерывного канала при наличии аддитивного шума
Шаг 2. Ввод текстовых файлов в Excel-таблицу с разбиением каждой строки текста на отдельные символы
Шаг 4. Находим среднюю энтропию, приходящуюся на 1 букву сообщения
Шаг 8. Напишем отчет о выполненной работе с описанием всех вычислений и о том, как они выполнялись. Прокомментируйте результаты
Подключение возможности использования нестандартных функций
Создание нестандартной функции
Запись голоса и подготовка сигнала
Импорт текстовых данных в Excel
Квантование по уровню сводится к замене значения исходного сигнала уровнем того шага, в пределы которого это значение попадает
Коды Хаффмена
Процесс повторяется до тех пор, пока в каждой подгруппе останется по одной букве
Параметры эффективности оптимальных кодов
Особенности эффективных кодов
Выполнение работы
Построение образующей матрицы
Порядок кодирования
Порядок декодирования
Выполнение работы
Каналом передачи информации называют совокупность технических средств, обеспечивающую передачу электрических сигналов от одного пункта к другому. Входы канала подключаются к передатчику, а выходы - к приемнику. В современных цифровых системах связи основные функции передатчика и приемника выполняет модем. Одной из главных характеристик канала является скорость передачи информации. Максимально возможная скорость передачи информации (данных) по каналу связи при фиксированных ограничениях называется емкостью канала, обозначается через С и имеет размерность бит/с. В общем случае емкость канала можно определить по формуле: (8.22) где I- количество переданной за время Т информации. В качестве меры количества информации возьмем меру Р. Хартли определяемую как логарифм возможных состояний объекта Ь. (8.23) Для нахождения I воспользуемся теоремой Котельникова, которая доказывает, что сигнал, не содержащий в своем спектре частот выше Р, может представляться 2Р независимыми значениями в секунду, совокупность которых полностью определяет этот сигнал. Данная процедура, называемая аналого-цифровым преобразованием, была рассмотрена в гл. 6. Она состоит из двух этапов - дискретизации по времени, т. е. представлении сигнала в виде п отсчетов, взятых через интервал времени 1 = 1/(2Р), и квантования по уровню, т. е. представления амплитуды сигнала одним из т возможных значений. Определим количество различных сообщений, которое можно составить из п элементов, принимающих любые из т различных фиксированных состояний. Из ансамбля п элементов, каждый из которых может находиться в одном из т фиксированных состояний, можно составить т а различных комбинаций, т. е. 1= т". Тогда: (8.24) За время Тчисло отсчетов п= Г/1=2РГ. Если бы шума не существовало, то число т дискретных уровней сигнала было бы бесконечным. В случае наличия шума последний определяет степени различимости отдельных уровней амплитуды сигнала. Так как мощность является усредненной характеристикой амплитуды, число различимых уровней сигнала по мощности равно (Р е +Р ш)/Р ш), а по амплитуде соответственно:
Если нужно найти экстремум (максимум, минимум или седловую точку) функции n переменных f(x1, x2, …, xn), связанных k
Предположим, имеется сообщение, состоящее из n букв: , где j=1, 2, …, n ─ номера букв в сообщении по порядку, а i1, i2, … ,in номера букв
Теперь предположим, что элементы сообщения (буквы) взаимозависимы. В этом случае вероятность появления последовательности из нескольких букв не равна произведению вероятностей появ
Как отмечалось, энтропия максимальна, если вероятности сообщений или символов, из которых они составлены, одинаковы. Такие сообщения несут максимально возможную информацию. Если же сообщение имеет
Мера содержательности обозначается cont (от английского Content ─ содержание).
Содержательность события I выражается через функцию меры содержательности его о
Если информация используется в системах управления, то ее полезность разумно оценивать по тому эффекту, который она оказывает на результат управления. В связи с этим в 1960 г. советским ученым А.А.
Здесь энтропия рассматривается как функция времени. При этом преследуется цель – избавиться от неопределенности, т.е. добиться положения, когда энтропия равна 0. Такая ситуация характерна для задач
Исходные данные часто представляются в виде непрерывных величин, например, температура воздуха или морской воды. Поэтому представляет интерес измерение количества содержащейся в таких сообщениях ин
Случайная величина a ограничена интервалом . В этом случае определенный интеграл ее плотности распределения вероятностей (дифференциального закона распределения вероятностей) на
Предположим теперь, что область определения значений случайной величины не ограничена, но задана ее дисперсия D и математическое ожидание M. Заметим, что дисперсия прямо пропорциональ
Непрерывные сигналы – носители информации – представляют собой непрерывные функции непрерывного аргумента – времени. Передача таких сигналов может выполняться при помощи непрерывных каналов связи,
Наиболее простыми и часто используемыми видами квантования являются:
· квантование по уровню (будем говорить просто квантование);
· квантование по времени (будем называть
В результате обратного преобразования из непрерывно-дискретной формы в непрерывную получается сигнал, отличающийся от исходного на величину ошибки. Сигнал называется воспроизводящей функц
Обобщенная спектральная теория сигналов объединяет методы математического описания сигналов и помех. Эти методы позволяют обеспечить требуемую избыточность сигналов с целью уменьшения влияния помех
Возможную схему квантования-передачи-восстановления непрерывного сигнала можно представить в виде, изображенном на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Возможная схема квантования-передачи-
В результате квантования по времени функции x(t) получается ряд значений x(t1), x(t2), … квантуемой величины x(t) в дискретные моменты времени t
Воспроизводящая функция в большинстве случаев рассчитывается по формуле: , где − некоторые функции. Эти функции обычно стремятся выбрать так, чтобы. (2.14)
В этом случае,
Найдем погрешность интерполяции. Представим ее виде:
, (2.16)
где K(t) – вспомогательная функция, которую надо найти.
Для произвольного t* имеем:
(
Интерполяция полиномами n-го порядка рассматривается аналогично предыдущим случаям. При этом наблюдается значительное усложнение формул. Обобщение приводит к формуле следующего вида:
Рассмотрим случай дискретизации случайного стационарного эргодического процесса x(t) с известной корреляционной функцией. Восстанавливать будем при помощи полиномов Лагранжа. Наиболее часто
Рисунком 2.13 иллюстрируется принцип квантования по уровню.
Рис. 2.13. Квантование по уровню.
Это квантование сводится к замене значения исходного сигнала уровн
Рис. 2.19. Обозначения
Зададимся теперь числом шагов квантования n, границами интервала (xmin, xmax
Кодирование − операция отождествления символов или групп символов одного кода с символами или группами символов другого кода.
Код (франц. code), совокупность зна
Некоторые общие свойства кодов.
Рассмотрим на примерах. Предположим, что дискретный источник без памяти, т.е. дающий независимые сообщения – буквы – на выходе, име
Теорема 1. Если целые числа n1, n2, …, nk удовлетворяют неравенству, (3.1)
существует префиксный код с алфавитом объемом m,
Формулировка. Пусть задан код с длинами кодовых слов n1, n2, … , nk и с алфавитом объема m. Если код однозначно декодируем, неравенство Крафта удовле
Формулировка. При заданной энтропии H источника и объеме m вторичного алфавита существует префиксный код с минимальной средней длиной nср min
Рассмотрим теперь случай кодирования не отдельных букв источника, а последовательностей из L букв.
Теорема 4.
Формулировка. Для данного дискретного источника
Определения.
Неравномерными называют коды, кодовые слова которых имеют различную длину.
Оптимальность можно понимать по-разному, в зависимости о
Формулировка. Для любого источника с k>=2 буквами существует оптимальный (в смысле минимума средней длины кодового слова) двоичный код, в котором два наименее вероятных сло
Формулировка. Если некоторый префиксный код редуцированного ансамбля U"является оптимальным, то соответствующий ему префиксный код исходного ансамбля т
1. Букве первичного алфавита с наименьшей вероятностью появления ставится в соответствие код с наибольшей длиной (лемма 1), т.е. такой код является неравномерным (с разной длиной кодовых слов). В р
Как следует из названия, такое кодирование предназначено для устранения вредного влияния помех в каналах передачи информации. Уже сообщалось, что такая передача возможна как в пространстве, так и в
Свойство помехоустойчивых кодов обнаруживать и исправлять ошибки в сильной степени зависит от характеристик помех и канала передачи информации. В теории информации обычно рассматривают две простые
Положим, кодовое слово состоит из n двоичных символов. Вероятность неискажения кодового слова, как несложно доказать, равна:
.
Вероятность искажения одного символа (однокра
Для простоты рассмотрим блоковый код. С его помощью каждым k разрядам (буквам) входной последовательности ставится в соответствие n-разрядное кодовое слова. Количество разного вида
Граница Хэмминга Q, определяет максимально возможное количество разрешенных кодовых слов равномерного кода при заданных длине n кодового слова и корректирующей способности кода КСК
Одной из характеристик кода является его избыточность. Увеличение избыточности в принципе нежелательно, т.к. увеличивает объемы хранимых и передаваемых данных, однако для борьбы с искажениями избыт
Рассмотрим класс алгебраических кодов, называемых линейными.
Определение: Линейными называют блоковые коды, дополнительные разряды которых образуются
Для определения числа добавочных разрядов можно воспользоваться формулой границы Хэмминга:
.
При этом можно получить плотноупакованный код, т.е. код с минимальной при заданных пар
Линейные коды обладают следующим свойством: из всего множества 2k разрешенных кодовых слов, образующих, кстати, группу, можно выделить подмножества из k слов, обладающих св
Вышеприведенная процедура построения линейного кода имеет ряд недостатков. Она неоднозначна (МДР можно задать различным образом) и неудобна в реализации в виде технических устройств. Этих недостатк
Все свойства циклических кодов определяются образующим полиномом.
1. Циклический код, образующий полином которого содержит более одного слагаемого, обнаруживает все одиночные ошибки.
Существует несложная процедура построения кода с заданной корректирующей способностью. Она состоит в следующем:
1. По заданному размеру информационной составляющей кодового слова длиной
Циклические коды можно, как и любые линейные коды, описывать с помощью матриц.
Вспомним, что KC(X) = gm(X)*И(Х) .
Вспомним также на примере порядок умножения пол
Ясно, что полиномы кодовых слов КС(Х) должны делиться на образующий полином g(X) без остатка. Циклические коды относятся к классу линейных. Это означает, что для этих кодов существует
Эта тема является одной из центральных в теории информации. В ней рассматриваются предельные возможности каналов связи по передаче информации, определяются характеристики каналов, влияющие на эти в
Исследуем теперь пропускную способность дискретного канала связи с шумом.
Существует большое количество математических моделей таких каналов. Простейшей из них является канал с независимой
Будем рассматривать последовательности статистически независимых букв. Согласно закону больших чисел, наиболее вероятными будут последовательности длиной n, в которых при количества N
Формулировка
Для дискретного канала в шумом существует такой способ кодирования, при котором может быть обеспечена безошибочная передача все информации, поступающей от источ
Теорема Шеннона для канала с шумом не указывает на конкретный способ кодирования, обеспечивающий достоверную передачу информации со скоростью, сколь угодно близкой с пропускной способности канала с
Рассмотрим следующую модель канала:
1. Канал способен пропускать колебания с частотами ниже Fm.
2. В канале действует помеха n(t), имеющая нормальный (гау
При вводе ранее сохраненного текстового файла следует указать тип файла *.*. Это позволит во время выбора видеть в списке все файлы. Укажите свой файл. После этого на экран будет выведено окно М
Как описано в теоретическом введении, средняя энтропия находится по формулам 1 и 2. В обоих случаях нужно найти вероятности появления букв или двухбуквенных комбинаций..
Вероятности можно
Результаты вычислений представьте в виде таблицы:
<Язык 1>
<Язык
Программное управление приложениями, входящими в состав Microsoft Office, осуществляется при помощи так называемых макросов.
Слово Макрос – греческого происхождения. В перево
Перед созданием нестандартных функций нужно открыть файл в рабочей книгой, содержащей информацию, которую нужно обработать с применением этих нестандартных функций. Если ранее эта рабочая книга был
Запись начинается и заканчивается нажатием кнопки Record (рис. 5), помеченной красный кружком. В процессе записи кнопка Recоrd выглядит вдавленной и более светлой (подсвеченной).
Двойным кликом откройте текстовый файл с экспортированные из программы Wavosaur данными (рис. 23).
Рис. 23. Примерный вид данных
Видно, что экспортированные
Квантование по уровню – необходимое условие преобразования непрерывного сигнала в цифровую форму. Однако одного лишь квантования по уровню для этого недостаточно – для преобразования в цифровую фор
На этом алгоритме построена процедура построения оптимального кода, предложенная в 1952 году доктором Массачусетского технологического института (США) Дэвидэм Хаффменом:
5) буквы перви
Рассмотрим алфавит из восьми букв. Ясно, что при обычном (не учитывающем статистических характеристик) кодировании для представления каждой буквы требуется три символа.
Наибольший эффек
Таких параметров 2: коэффициент статистического сжатия и коэффициент относительной эффективности. Оба параметра характеризуют степень уменьшения средней длины кодового слова. При этом средняя длина
5. Букве первичного алфавита с наименьшей вероятностью появления ставится в соответствие код с наибольшей длиной (лемма 1), т.е. такой код является неравномерным (с разной длиной кодовых слов). В р
Лабораторная работа №4 выполняется под управлением специально написанной управляющей программы. Эта управляющая программа написана на языке Visual Basic 6. Исполняемый файл программы носит и
Линейные коды обладают следующим свойством: из всего множества 2k разрешенных кодовых слов можно выделить подмножества из k слов, обладающих свойством линейной независимост
Кодовое слово КС получается путем умножения матрицы информационной последовательности ||X|| на образующую матрицу ||OM||:
||KC1*n|| = ||X
В результате передачи кодового слова через канал оно может быть искажено помехой. Это приведет к тому, что принятое кодовое слово ||ПКС|| может не совпасть с исходным ||КС||.
Лабораторная работа №5, как и работа №4, выполняется под управлением управляющей программы, написанной на алгоритмическом языке Visual Basic 6. Исполняемый файл программы носит имя Помехо
Тогда емкость канала: 
(8.25) Итак, емкость канала ограничивается двумя величинами: шириной полосы канала и шумом. Соотношение (8.25) известно как формула Хартли-Шеннона и считается основной в теории информации. Полоса частот и мощность сигнала входят в формулу таким образом, что для С= const при сужении полосы необходимо увеличивать мощность сигнала, и наоборот. К основным характеристикам каналов связи относятся: ■ амплитудно-частотная характеристика (АЧХ); ■ полоса пропускания; ■ затухание; * пропускная способность; ■ достоверность передачи данных; ■ помехоустойчивость. Для определения характеристик канала связи применяется анализ его реакции на некоторое эталонное воздействие. Чаще всего в качестве эталона используются синусоидальные сигналы разных частот. АЧХ показывает, как изменяется амплитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех частот передаваемого сигнала. Полоса пропускания - это диапазон частот, для которых отношение амплитуды выходного сигнала к входному превышает некоторый заданный предел (для мощности 0.5). Эта полоса частот определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений. Ширина полосы пропускания влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи. Затухание - определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по линии связи сигнала определенной частоты. Затухание I обычно измеряется в децибелах (дБ) и вычисляется по формуле: где Р вых - мощность сигнала на выходе линии; Р вх - мощность сигнала на входе линии. Пропускная способность линии (throughput) характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи и измеряется в битах в секунду (бит/с), а так же в производных единицах Кбит/с, Мбит/с, Гбит/с. На пропускную способность линии оказывает влияние физическое и логическое кодирование. Способ представления дискретной информации в виде сигналов, передаваемых на линию связи, называется физическим линейным кодированием. От выбранного способа кодирования зависит спектр сигнала и соответственно пропускная способность линии. Таким образом, для одного или другого способа кодирования линия может иметь разную пропускную способность. Если сигнал изменяется так, что можно различить только два его состояния, то любое его изменение будет соответствовать наименьшей единице информации - биту. Если сигнал изменяется так, что можно различить более двух состояний, то любое его изменение несет несколько бит информации. Количество изменений информационного параметра несущего колебания (периодического сигнала) в секунду измеряется в бодах. Пропускная способность линии в битах в секунду в общем случае не совпадает с числом бод. Она может быть как выше, так и ниже числа бод, и это соотношение зависит от способа кодирования. Если сигнал имеет более двух различимых состояний, то пропускная способность в бит/с будет выше, чем число бод. Например, если информационными параметрами являются фаза и амплитуда синусоиды, причем различают 4 состояния фазы (О, 90, 180 и 270) и два значения амплитуды, то информационный сигнал имеет восемь различимых состояний. В этом случае модем, работающий со скоростью 2400 бод (с тактовой частотой 2400 Гц), передает информацию со скоростью 7200 бит/с, так как при одном изменении сигнала передается три бита информации. При использовании сигнала с двумя различными состояниями может наблюдаться обратная картина. Это происходит, когда для надежного распознавания приемником информации каждый бит в последовательности кодируется с помощью нескольких изменений информационного параметра несущего сигнала. Например, при кодировании единичного значения бита импульсом положительной полярности, а нолевого значения бита - импульсом отрицательной полярности, сигнал дважды меняет свое состояние при передаче каждого бита. При таком способе кодирования пропускная способность линии в два раза ниже, чем число бод, передаваемое по линии. На пропускную способность оказывает влияние логическое кодирование, которое выполняется до физического и подразумевает замену бит исходной информации новой последовательности бит, несущей ту же информацию, но обладающей при этом дополнительными свойствами (обнаруживающие коды, шифрование). При этом искаженная последовательность бит заменяется более длинной последовательностью, поэтому пропускная способность канала уменьшается. В общем случае связь между полосой пропускания линии и ее максимально возможной пропускной способностью определяется соотношением (8.25). Из этого соотношения следует, что хотя теоретического предела увеличения пропускной способности линии (с фиксированной полосой пропускания) нет, на практике такой предел существует. Повысить пропускную способность линии можно, увеличив мощность передатчика или уменьшая мощность помех. Однако увеличение мощности передатчика приводит к росту его габаритов и стоимости, а уменьшение шума требует применения специальных кабелей с хорошими защитными экранами и снижения шума в аппаратуре связи. Емкость канала представляет собой максимальную величину скорости. Чтобы достигнуть такой скорости передачи, информация должна быть закодирована наиболее эффективным образом. Утверждение, что такое кодирование возможно, является важнейшим результатом созданной Шенноном теории информации. Шеннон доказал принципиальную возможность такого эффективного кодирования, не определив, однако, конкретных путей его реализации. (Отметим, что на практике инженеры часто говорят о емкости канала, подразумевая под этим реальную, а не потенциальную скорость передачи.) Эффективность систем связи характеризуется параметром, равным скорости передачи информации Я на единицу ширины полосы Г, т. е. Я/Р. Для иллюстрации существующих возможностей по созданию эффективных систем связи на рис. 8.12 приведены графики зависимости эффективности передачи информации при различных видах М-ичной дискретной амплитудной, частотной и фазовой модуляции (кроме бинарной модуляции используется также модуляция с 4, 8, 16 и даже с 32 положениями модулируемого параметра) от отношения энергии одного бита к спектральной плотности мощности шума (Ео/Мо). Для сравнения показана также граница Шеннона. Сравнение кривых показывает, в частности, что наиболее эффективной оказывается передача с фазовой дискретной модуляцией, однако при неизменном отношении сигнал-шум наиболее популярный вид модуляции 4ФМн в три раза хуже потенциально достижимого. Достовернсть передачи данных характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных. Показателем достоверности является вероятность ошибочного приема информационного символа - Р. 1 ОШ 
Рис. 8.12. Эффективность цифровых систем связи: 1 - граница Шеннона; 2 - М-ичная ФМн; 3 - М-ичная АМн; 4 - М-ичная ЧМн Величина Р ош для каналов связи без дополнительных средств защиты от ошибок составляет, как правило, 10 4 ... 10 6 . В оптоволоконных линиях связи Р ош составляет 10" 9 . Это значит, что при Р ош = 10 4 в среднем из 10 000 бит искажается значение одного бита. Искажения бит происходят как из-за наличия помех на линии, так и из-за искажений формы сигнала, ограниченной полосой пропускания линии. Поэтому для повышения достоверности передаваемых данных необходимо повышать степень помехозащищенности линий, а также использовать более широкополосные линии связи. Непременной составной частью любого канала является линия связи - физическая среда, обеспечивающая поступление сигналов от передающего устройства к приемному. В зависимости от среды передачи данных линии связи могут быть: ■ проводные (воздушные); ■ кабельные (медные и волоконно-оптические); ■ радиоканалы наземной и спутниковой связи (беспроводные каналы связи). Проводные линии связи представляют собой проложенные между опорами провода без каких-либо экранирующих или изолирующих оплеток. Помехозащищенность и скорость передачи данных в этих линиях низкая. По таким линиям связи передаются, как правило, телефонные и телеграфные сигналы. 8.3.1.
