Лекция №2. Основные понятия ПДС

Информация, сообщение, сигналы. Под термином «информация» понимают различные сведения, которые поступают к получателю. Существует множество различных определений этого понятия, вот одно из них: информация – это сведения, являющиеся объектом передачи, распределения, преобразования, хранения или непосредственного использования. Это могут быть сведения о результатах измерения, наблюдения за каким-либо объектом и т. п. В дальнейшем нас будут интересовать лишь вопросы, связанные с информацией как объектом передачи.

Сообщение является формой представления информации. Одно и то же сведение может быть представлено в различной форме. Например, сведение о часе приезда вашего приятеля может быть передано по телефону или же в виде телеграммы. В первом случае имеем дело с информацией, представленной в непрерывном виде (непрерывное сообщение). Будем считать, что это сообщение вырабатывается некоторым источником – в данном случае источником непрерывных сообщений. Во втором случае информация представлена в дискретном виде (дискретное сообщение). Это сообщение вырабатывается источником дискретных сообщений.

При передаче сведений по телеграфу информация заложена в буквах, из которых составляются слова, и цифрах. Очевидно, что на конечном отрезке времени число букв или цифр, называемых в дальнейшем символами, является конечным. Это и является отличительной особенностью дискретного, или счетного, сообщения. В то же время число различных возможных значений звукового давления, измеренное при разговоре, даже на конечном отрезке времени будет бесконечным. В дальнейшем мы будем рассматривать только вопросы передачи дискретных сообщений.

Информация, содержащаяся в сообщении, передается получателю по каналу передачи дискретных сообщений (рисунок 1). Рассмотрим основные характеристики тракта передачи, в состав которого входят источник (ИС) и получатель (ПС) дискретных сообщений.

Источник дискретных сообщений характеризуется алфавитом передаваемых символов A. Пусть объем (число символов) этого алфавита K, а вероятность выдачи символа . К числу основных информационных характеристик источника сообщений относятся: количество информации в отдельных символах, энтропия и производительность источника сообщений.

Количество информации в передаваемом символе определяется в битах. Чем меньше вероятность появления того или иного символа (сообщения), тем большее количество информации извлекается при его получении. Если источник может выдать один из двух независимых символов (a ₁ и a ₂) и первый из них выдается с вероятностью , то символ a ₁ не несет информации, ибо он заранее известен получателю. Единицей измерения количества информации, как было сказано выше, является бит (производное от английского «binary digit» или короче «bit»).

Было предложено определять количество информации J, которое приходится на один символ a_i, выражением

. (1)

где – вероятность выдачи символа a_i.

Если сообщения равновероятны, и их число равно K, то вероятность каждого из них равна , а количество информации в сообщении

.

При количество информации равно 1 бит, следовательно, 1 бит – это количество информации, которое переносит один символ источника дискретных сообщений в том случае, когда алфавит источника состоит из двух равновероятных символов.

Среднее количество информации , которое приходится на один символ, поступающий от источника без памяти, получим, применив операцию усреднения по всему объему алфавита:

. (2)

Выражение (2) известно как формула Шеннона для энтропии источника дискретных сообщений. Энтропия – это мера неопределенности в поведении ИС. Она равна нулю, если с вероятностью единица источником выдается всегда одно и то же сообщение (в этом случае неопределенность в поведении ИС отсутствует). Энтропия максимальна, если символы источника появляются независимо и с одинаковой вероятностью.

Среднее количество информации, выдаваемое источником в единицу времени, называют производительностью источника и определяют по формуле:

, (3)

где T – среднее время, отводимое на передачу одного символа.

Для канала ПДС вводят аналогичную характеристику – скорость передачи информации по каналу (R). Она определяется количеством бит, передаваемых в секунду. Максимально возможное значение скорости передачи информации по каналу при заданных условиях называют пропускной способностью канала и обозначают буквой C.

Сообщение, поступающее от источника, преобразуется в сигнал, который является его переносчиком в системах ПДС. На приемной стороне сигнал преобразуется в сообщение. Система ПДС обеспечивает доставку сигнала из одной точки пространства в другую с заданными качественными показателями. Преобразование сообщения в сигнал в телеграфных системах выполняет передающая часть телеграфного аппарата.

Виды сигналов. Как было сказано в лекции №3 курса «Цепи и сигналы электросвязи», различают четыре вида сигнала:

· произвольные по величине и непрерывные по времени (континуальные);

· произвольные по величине и дискретные по времени (дискретные);

· квантованные по величине и непрерывные по времени (квантованные);

· квантованные по величине и дискретные по времени (цифровые).

Сигналы, формируемые на выходе преобразователя дискретного сообщения в сигнал, как правило, являются по информационному параметру цифровыми, т. е. описываются функцией дискретного времени и конечным множеством возможных значений. В технике передачи данных такие сигналы называют цифровыми сигналами данных (ЦСД). Параметр сигнала данных, изменение которого отображает изменение сообщения, называется представляющим (информационным). Часть цифрового сигнала данных, отличающаяся от остальных частей значением одного из своих представляющих параметров, называется элементом ЦСД.

Фиксируемое значение состояния представляющего параметра сигнала называется значащей позицией. Момент, в который происходит смена значащей позиции сигнала, также называется значащим (ЗМ), а также интервал времени между двумя соседними значащими моментами сигнала называется значащим (ЗИ).

Минимальный интервал времени t₀, которому равны значащие интервалы времени сигнала, называется единичным. Элемент сигнала, имеющий длительность, равную единичному интервалу времени, называется единичным (е. э.).

Термин «единичный элемент» является одним из основных в технике передачи данных. В телеграфии ему соответствует термин элементарная посылка.

Различают также изохронные и анизохронные сигналы данных. Для изохронного сигнала любой значащий интервал времени равен единичному интервалу или их целому числу. Анизохронными называются сигналы, элементы которых могут иметь любую длительность, но не менее чем t_{0 min}. Другой особенностью анизохронных сигналов является то, что они могут отстоять друг от друга во времени на произвольном расстоянии.

Структурная схема системы ПДС. Понятие «дискретное сообщение» является более общим, нежели понятия «сообщение данных» или «телеграфное сообщение». Соответственно и более общим является понятие системы ПДС. Структурная схема системы ПДС изображена на рисунке 2. Источник и получатель сообщений вместе с преобразователем сообщения в сигнал в состав системы ПДС не входят.

Символы от ИС поступают в виде кодовых комбинаций, которые состоят из единичных элементов (посылок). Кодовая комбинация характеризуется основанием кода m и числом единичных элементов, составляющих кодовую комбинацию (длиной кода n), отображающую передаваемый символ a_i. Основание кода характеризует возможное число различимых значащих позиций поступающего от ИС сигнала.

В технике ПДС наибольшее распространение получили коды с основанием 2. Такие коды часто называют двоичными, или бинарными. Основными причинами широкого использования двоичных кодов являются простота реализации, надежность элементов двоичной логики, малая чувствительность к действию внешних помех и т. д. Поэтому в дальнейшем во всех случаях (если это не будет оговорено особо) рассматриваются двоичные коды. Примером двоичного кода является Международный телеграфный код № 2 (МТК-2), в котором каждому переданному символу соответствует пятиэлементная кодовая комбинация.

Набор символов, предусмотренный кодом МТК-2, является достаточным для написания телеграмм, а в некоторых случаях даже для передачи данных. Как правило, для передачи данных требуется использовать больше символов. В связи с этим был разработан семиэлементный код МТК-5. Он получил название стандартного кода передачи данных (СКПД).

Коды МТК-2 и МТК-5 в технике ПДС называются первичными кодами.

Сообщение, поступающее от ИС, в ряде случаев содержит избыточность. Последнее обусловлено тем, что символы , составляющие сообщение, могут быть статистически связаны. Это позволяет часть сообщения не передавать, восстанавливая его на приеме по известной статистической связи. Так, кстати, поступают при передаче телеграмм, исключая из текста союзы, предлоги, знаки препинания, поскольку они легко восстанавливаются при чтении телеграммы на основании известных правил построения фраз и слов. Конечно, избыточность в принимаемой телеграмме позволяет легко исправить часть искаженных слов (правильно их прочитать). Однако избыточность приводит к тому, что за заданный промежуток времени будет передано меньше сообщений и, следовательно, менее эффективно будет использоваться канал ПДС. Задачу устранения избыточности на передаче в системе ПДС выполняет кодер источника, а восстановление принятого сообщения – декодер источника. Часто кодер и декодер источника включают в состав ИС и ПС. Более подробно вопросы устранения избыточности будут рассмотрены далее.

С целью повышения верности передачи используется избыточное кодирование, позволяющее на приеме обнаружить или даже исправлять ошибки. В процессе кодирования, осуществляемого кодером канала, исходная кодовая комбинация преобразуется и в нее вносится избыточность. На приемном конце декодер канала выполняет обратное преобразование (декодирование), в результате которого получаем комбинацию исходного кода. Часто кодер и декодер канала называют устройствами защиты от ошибок (УЗО).

С целью согласования кодера и декодера канала с непрерывным каналом связи (средой, в которой, как правило, передаются непрерывные сигналы) используются устройства преобразования сигналов (УПС), включаемые на передаче и приеме. В частном случае – это модулятор и демодулятор. Совместно с каналом связи УПС образуют дискретный канал, т. е. канал, предназначенный для передачи только дискретных сигналов (цифровых сигналов данных).

Различают синхронные и асинхронные дискретные каналы. В синхронных дискретных каналах – каждый единичный элемент вводится в строго определенные моменты времени. Эти каналы предназначены для передачи только изохронных сигналов. По асинхронному каналу можно передавать любые сигналы – изохронные, анизохронные. Поэтому такие каналы получили название прозрачных, или кодонезависимых. Синхронные каналы являются непрозрачными, или кодозависимыми.

Дискретный канал в совокупности с кодером и декодером канала (УЗО) называется расширенным (РДК). Если применительно к дискретному каналу рассматривается передача единичных элементов, принимающих значение «0» или «1» и алфавит «источника», работающего на дискретный канал, можно считать равным 2, то применительно к РДК рассматривается передача комбинаций длиной n элементов и при использовании двоичного кода число возможных комбинаций равно 2 ⁿ. Следовательно, алфавит «источника», работающего на РДК, можно считать равным 2 ⁿ, отсюда и название «расширенный». В технике передачи данных РДК называют каналом передачи данных (см. выше).

Дискретный канал характеризуется скоростью передачи информации, измеряемой в битах в секунду (бит/с). Другой характеристикой дискретного канала является скорость телеграфирования B, измеряемая в бодах. Она определяется числом единичных элементов, передаваемых в секунду. В технике ПД вместо термина скорость телеграфирования используется термин скорость модуляции.

При определении эффективной скорости учитывается, что не все комбинации, поступающие на вход канала ПД, выдаются получателю. Часть комбинаций может быть забракована. Кроме того, учитывается, что не все элементы, передаваемые в канал, несут информацию.

Другой характеристикой дискретного канала является верность передачи единичных элементов. Она определяется через коэффициент ошибок по элементам, который равен отношению числа ошибочно принятых элементов к общему числу переданных за интервал анализа.

Дата добавления: 2014-01-05