ГЛАВА ВТОРАЯ
ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ НА ДАЛЬНИЕ РАССТОЯНИЯ
2-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕОРИИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
Сообщения и сигналы.
Информация, подлежащая передаче, содержится в сообщении. Например, при передаче статистической информации сообщением является тот или иной текст из последовательных отдельных (дискретных) символов — букв или цифр. Каждый символ при передаче преобразуется в определенную последовательность электрических импульсов (посылок и пауз). При телефонном разговоре сообщение представляет собой непрерывное изменение во времени звукового давления, зависящее от интонации, тембра, ритма и других свойств речи. При передаче речи изменения звукового давления преобразуются в соответствующие изменения напряжения (тока). Передача телемеханической информации может носить как дискретный, так и непрерывный характер. Информация по структуре может быть двух видов — аналоговая и дискретная.
Информация, характеризуемая непрерывной функцией времени, называется аналоговой. При передаче звукові речи эта функция воспроизводится соответственно изменению звукового давления.
Информация, характеризуемая конечным числом символов, передаваемых за определенный промежуток времени, называется дискретной. Передачу аналоговой информации можно свести к дискретной передаче конечного числа m=2FT символов за время Т, полагая, что F — спектр функции, характеризующий аналоговую информацию.
Итак, сообщение преобразуется в электрический ток или напряжение, а сам физический источник информации вместе с преобразователем называют источником сообщений. С математической точки зрения сообщение представляет собой некоторую функцию времени a/t [31].
Средством передачи сообщения служит сигнал. Сообщение, преобразованное в сигнал, например, в виде последовательных электрических импульсов, передается на расстояние. В качестве переносчика сигналов используются электрические колебания различной частоты.
Рис. 2-1. Структурные схемы одноканальной (а) и многоканальной (б) систем передачи информации.
ИС — источник сообщения; ПС — получатели сообщения; М — передатчик; П — приемник; M1—MN — канальные передатчики; МГ — групповой передатчик; СУ — суммирующее устройство; П1—ПN — канальные приемники; ПТ — групповой приемник.
Средства передачи информации.
Передача сообщений на расстояния осуществляется средствами электрической связи. Процесс передачи сообщений происходит следующим образом (рис. 2-1,а). Вначале каждое сообщение a(t) передатчик преобразует в сигнал S(t). Затем сигнал передается по каналу связи и, наконец, на приемной стороне канала приемник преобразовывает сигнал S'(f) снова в сообщение a'(t). Как видно из рис. 2-1, канал связи представляет собой комплекс технических устройств и физическую среду, в которой сигналы распространяются от передатчика к приемнику.
Канализирующим свойством обладает любая граница физических сред (металл — диэлектрик, диэлектрик — воздух и т. п.), поэтому роль направляющей системы, способной передавать электромагнитную энергию в заданном направлении, может выполнить как металлическая линия (цепи воздушной и кабельной линии связи, линия электропередачи, волновод), так и диэлектрическая линия (диэлектрический волновод, волоконный световод). Ниже будут рассмотрены электрические характеристики лишь части названных направляющих систем — воздушная цепь связи и воздушная линия электропередачи.
Передатчик, канал и приемник образуют систему электрической связи или систему передачи информации. Каналы передачи информации можно классифицировать по различным признакам. Например, по назначению системы, в состав которой они входят, различают каналы телефонные, звукового вещания, телевизионные, телеграфные, передачи данных, телемеханические.
По характеру передаваемых сигналов различают каналы непрерывные и дискретные. Дискретные каналы можно различать по значениям и по времени передачи сигналов.
Типичным непрерывным каналом непрерывного времени является цепь линии связи, которая может быть оборудована усилителями и фильтрами. Такой канал входит в состав любого другого канала, в том числе и канала, показанного на рис. 2-1. Каналы, оборудованные по схеме на рис. 2-1, отличаются от первого (цепи линии связи, оборудованные усилителями и фильтрами) наличием преобразователей (модуляторов и демодуляторов) и соответственно имеют другую полосу частот.
Дискретный канал состоит из непрерывного канала, к которому подключаются дискретный модулятор и решающее устройство. Дискретные каналы чаще всего дискретны по времени и по значениям передаваемых сигналов.
Сигналы, передаваемые по системе связи, подвергаются в передатчиках и приемниках преднамеренным преобразованиям, о которых упоминалось выше. Сигналы подвержены также нежелательным преобразованиям из-за несовершенства аппаратуры и воздействия внешних источников помех в основном на цепь линии связи (или физическую среду). Другими словами, преобразования сигналов могут быть детерминированными и случайными, а в общем случае они содержат обе названные составляющие. Случайные преобразования сигнала происходят в непрерывном и дискретном каналах от воздействия помех в канале. Случайный процесс, обусловленный нежелательным преобразованием сигнала, а также случайные изменения параметров канала называют помехой. В непрерывном канале непрерывного времени из-за воздействия помехи принимаемый сигнал отличается от передаваемого по форме или передача задерживается, а в дискретном канале дискретного действия происходят несовпадения принимаемых и передаваемых символов, стирания, выпадения символов (при .нарушении синхронизма) и другие случайные процессы.
Поскольку помехи носят случайный характер, сигнал на входе приемника S'(t) будет случайным образом отличаться от переданного сигнала S(t). Принятый сигнал S'(t) приемник преобразует в сообщение которое из-за воздействия помех может отличаться от переданного сообщения a(t).
Борьба со случайными преобразованиями сигналов — более сложная техническая задача, чем осуществление детерминированного преобразования, поэтому основное внимание в теории передачи информации уделяется случайным изменениям сигналов.
На рис. 2-1,а условно все помехи объединены в одном источнике помех. Ниже будут рассмотрены виды и характер помех, особенно при передаче информации по каналам связи, организованным по ВЛ (см. § 3-4).
Передача сообщений по каналу связи, показанная на рис. 2-1,а, б, является односторонней. Для передачи сообщений в обратном направлении необходима такая же система связи. При необходимости одновременной передачи в каждом направлении нескольких независимых сообщений используется многоканальная система связи (рис. 2-1,б), в которой общая цепь линии связи уплотняется индивидуальными каналами. Сообщения каждого канала а1(t), преобразуются индивидуальными передатчиками (модуляторами) M1, М2, . .., MN в соответствующие сигналы S1(t), S2(t),...SN(t), которые на выходе суммирующего устройства СУ превращаются в групповой сигнал S(t), а групповой передатчик МГ преобразует его в линейный сигнал Sл(t). Если допустить, что сигнал Sл(t) проходит по цепи линии связи без искажений, то групповой приемник ПГ вновь преобразует его в групповой сигнал S(t). Затем индивидуальные приемники П1, П2, ..., ПN из группового сигнала S(t) выделяют соответствующие сигналы S1(t), S2(t),...SN(t) и преобразуют их в сообщения а1(t), . . aN(t).
Индивидуальные передатчики с суммирующим устройством являются аппаратурой уплотнения. Групповой передатчик МГ, цепь линии связи и групповой приемник ПГ составляют групповой канал. Групповой канал, аппаратура уплотнения и индивидуальные приемники образуют систему многоканальной связи.
Сигналы сообщения, представляя собой конечное число периодов негармонических колебаний, апериодическую посылку или импульс напряжения любой формы, отличаются друг от друга не только формой, но и спектром используемых частот.
В процессе прохождения через систему передачи информации сигналы теряют свою мощность. Поэтому приходится применять с соответствующими интервалами по расстоянию промежуточные устройства для приема ослабленных сигналов, усиления их мощности и передачи их дальше.
Физический смысл передачи сигналов по системе электрической связи заключается в перемещении электромагнитного поля от генератора к нагрузке (электромагнитное возмущение). Этот вид материи беспрерывно переходит в другой вид материи — свободные электроны, перемещающиеся в проводах цепи связи и элементах передатчика, приемника и других устройств системы передачи информации. Перемещаясь по каналу, как электромагнитное возмущение, так и свободные электроны переносят с собой определенную электрическую энергию [15].
Передача электрической энергии в системе электрической связи имеет существенные отличия от передачи электрической энергии в электрической системе, описанной в § 1-2.
В электрической системе по ВЛ передается переменный ток частотой 50 Гц или постоянный ток большой мощности, тогда как в системе электрической связи применяется полоса частот, а электромагнитные возмущения обладают незначительной мощностью (от сотых долей микроватта до нескольких десятков ватт). При столь малых мощностях передаваемой энергии начинают сказываться различные помехи и взаимные влияния, в том числе и такие, как тепловой шум в проводах цепей ЛС и в любых активных сопротивлениях, являющий- 1 -ся следствием флуктуации числа свободных электронов.
В системах электрической связи, как будет показано ниже, происходит отражение электромагнитных возмущений в местах стыка различных элементов, а в системах электрической связи по ВЛ также в местах стыка элементов собственно ВЛ (распределительные подстанции, ответвления и др.). В результате этих отражений возникают дополнительные потери электрической энергии, увеличиваются взаимные влияния между каналами, появляются искажения сигналов и другие нежелательные явления.
Для снижения взаимных влияний между каналами и опасных влияний посторонних электрических цепей на линии связи (ЛС) до нормированных значений приходится прибегать к защите ЛС и каналов, усложняющей системы электрической связи, тогда как взаимное влияние между соседними ВЛ не имеет практического значения и не требует защитных устройств.
Если в энергосистеме энергия, вырабатываемая генераторами всех электростанций, передается всем потребителям, включенным в систему, то в многоканальных системах связи передачи информации (рис. 2-1) сигналы одного определенного передатчика могут и должны быть приняты определенными приемниками. Имеется существенная разница и в дальности электропередачи и в системах электрической связи.
Требования к системам передачи информации.
Соответствие системы управления и ее технической базы достигается при обеспечении одного или нескольких показателей: объема сообщений, передаваемых в единицу времени, времени доставки заданного объема сообщений, достоверности доставляемой информации, экономичности передачи информации.
Объем сообщений, передаваемых в единицу времени, характеризует качественный уровень данной системы передачи информации. При незначительном объеме можно воспользоваться простейшим средством доставки информации, тогда как при больших объемах необходимы современные средства с высокой пропускной способностью. Пропускная способность системы передачи информации определяется из условия:
где V — объем сообщений, необходимый для управления; Т — время управления процессом; С — скорость передачи информации.
Для многих реальных систем управления время доставки информации адресату является очень важным показателем. Это время состоит из времени составления адреса, подготовки информации, ожидания в процессе установления соединения, времени передачи и получения информации адресатом. В различных сетях связи ожидание в процессе установления соединений зависит от системы обслуживания, т. е. порядка выполнения операции с вызовом, поступившим на ее вход, и параметров, характеризующих входящий поток требований. Для производственной телефонной связи существенным является затрата времени на подход к абонентским устройствам и характер операции для осуществления соединения (нажатие ключа, кнопки, набор номера и т. д.). Общие затраты времени на установление соединения являются случайными и принимают различные значения при каждом конкретном вызове.
Для телефонной связи и передачи телеграмм или данных значение и структура времени доставки информации различны. Например, при передаче телеграмм удельный вес времени подготовки информации и получения ее адресатом значительно возрастает.
Время собственно передачи информации Ти можно определить из отношения Tи=V'/C, где V'— объем сообщения, выраженный в буквах, включая адрес, служебные знаки и дополнительную информацию для повышения достоверности сообщения.
Все названные особенности определяют специфические требования к системам передачи информации, без выполнения которых невозможно достигнуть надежности, достоверности, помехоустойчивости, эффективности и дальности передачи сообщений. Чтобы выяснить основные специфические требования, выделим внешние и внутренние характеристики систем передачи информации. По внешним характеристикам можно оценить качество передачи информации: достоверность, скорость и своевременность. Внутренние характеристики выявляют степень предельных возможностей всей системы, т. е. помехоустойчивость и эффективность.
Достоверность передачи определяется степенью сходства принятого и переданного сообщения. Например (см. рис. 2-1), при передаче дискретной информации с последовательностью сигналов a(t) в результате воздействия помех может быть принята т. е. в сообщении окажутся ошибки. Поскольку появление ошибки носит случайный характер, достоверность передачи информации можно характеризовать вероятностью ошибки. Если сообщение описывается непрерывной функцией a(t), то достоверность будет характеризоваться отклонением ε(t) принятого сообщения a'(t) от переданного, т. е.
.
Вероятность того, что отклонение ε(t) для всех t не будет превышать некоторой допустимой величины εдоп, является в данном случае критерием достоверности [31].
Количественной характеристикой достоверности принят коэффициент ошибок, определяемый как среднее значение отношения неправильно принятых сигналов (слов, слогов) к общему числу, переданных за испытательный сеанс.
Скорость передачи информации характеризуется количеством сведений, передаваемых в единицу времени по системе связи с заданной достоверностью. Предельно возможная скорость передачи информации по данному каналу связи с учетом воздействия помех называется пропускной способностью канала (системы). Отношение скорости передачи информации к пропускной способности канала связи является эффективностью данной системы.
Своевременность передачи определяется допустимой задержкой, обусловленной преобразованиями сообщений и сигналов, а также конечным временем распространения сигнала по каналу связи. Эта характеристика важна для систем автоматического регулирования, релейной защиты и противоаварийной автоматики.
Помехоустойчивость оценивается по достоверности передачи при заданном отношении сигнал/помеха и зависит как от свойств передаваемых сигналов, так и от способа их приема. Одним из путей повышения достоверности передачи является борьба с помехами, поскольку различие между a(t) и а'(t) уменьшается с уменьшением уровня помех.
Выработаны и на практике применяются прямые способы борьбы с помехами, т. е. такие способы, которые предусматривают непосредственное воздействие на помеху в месте ее возникновения, например подавление индустриальных помех в месте их возникновения (от электродвигателей, дуговых и рентгеновских аппаратов и др.); защита от фона и наводок в передатчике и приемнике. Одним из основных косвенных способов борьбы с помехами является повышение мощности -сигнала на передающей стороне. К этому способу в ряде случаев прибегают при передаче информации по ВЛ (см. § 3-7).
Важное значение для достоверности информации имеет применение приемника, обеспечивающего потенциальную помехоустойчивость, т. е. предельно достижимую. Такой приемник называется оптимальным. Он обеспечивает для заданного отношения сигнал/помеха наименьшую вероятность превышения допустимого отклонения εдоп при передаче непрерывных сообщений.
Количество информации.
Любое сообщение несет в себе полезные сведения или информацию. Чем больше будет степень определенности наших знаний какого-либо явления или предмета после приема информации о них, тем больше количество информации. Для техники передачи информации очень важно уметь определить количество информации, ибо, зная это, можно определить и такие важные параметры систем передачи информации, как скорость и пропускная способность этих систем.
В процессе передачи по каналу связи сообщение подвергается многократным преобразованиям (рис. 2-1), существенно изменяющим его электрические представления и физические характеристики. При этом первоначальное сообщение восстанавливается по принимаемым сигналам, которые могут отличаться от входного сигнала, не вызывая, однако, заметного снижения качества передачи. Анализируя сказанное, можно сделать вывод, что объектом передачи по каналу связи являются не электрические представления сообщения, а такая информация о нем, которая позволяет восстановить сообщение с нужной точностью. Преобразуемые процессы (сообщения и сигналы) являются ее носителями.
Сравнение электрической системы и системы передачи информации, приведенное выше для выявления особенностей передачи энергии в системе связи, полезно дополнить еще следующей аналогией. Объектом передачи в электрической системе является не электрический процесс (ток или напряжение), а энергия, носителем которой он является. Ток (напряжение) может менять свою форму, и преобразовываться из переменного в постоянное и наоборот. Энергия же при этих преобразованиях остается неизменной, если не считаться с частичными потерями в ВЛ и преобразователях. В системе передачи информации аналогом энергии является информация, позволяющая восстановить передаваемое сообщение с нужной точностью. Как и для электрической энергии, для нее нужна количественная мера.
Определим математическое значение количества информации I(х) о каком-либо явлении х, передаваемой по каналу связи в виде сообщения. Когда сообщение краткое («да» или «нет»), его можно передавать одним элементарным сигналом - импульсом (посылкой) постоянного напряжения. При этом импульсы должны иметь два различных состояния, соответствующие двум возможным сообщениям («да» или «нет»).
Обозначим число состояний элемента через т и предположим, что сообщение состоит из п элементов, тогда число возможных сообщений равно N=mn, т. е. информацию о состоянии выключателей на подстанции можно передать в количестве N показателей. Таким образом, подробное сообщение может содержать в себе сведения об N различных показателях состояния или изменения какого-либо явления или оборудования и выражение N=mn является мерой количества информации или количества сведений в передаваемом подробном сообщении.
На практике принято количество информации выражать логарифмом значения N I=log2N. Основание логарифма удобнее брать равным двум, тогда I=log2 N=nlog2 т. Количество информации измеряется в битах (двоичных единицах). Битом называется количество информации, содержащейся в одном импульсе (n=1), имеющем два состояния (т=2). Простейшее сообщение «да» или «нет» содержит всего одну единицу информации, т. е. бит.
Выражение N=mn справедливо в том случае, когда все возможные сообщения равновероятны. Для более точного определения количества информации в битах, в случае неравновероятных элементов применяется выражение
(2-1)
где п — число элементов в сообщении; рi — вероятность появления 1-го состояния элемента; т — общее число возможных состояний элемента.
Можно установить некоторые приближенные соотношения между объемом сообщений и количеством информации. Например, речевые сообщения содержат значительно большую избыточность, чем текстовые сообщения, из-за повторений слов, неравномерности речи (пауз), ограниченности словаря и т. д. [49]. Поэтому среднее количество «смысловой» информации, которая содержится в речевом сообщении за отрезок времени 1 с, составляет 0,7—3,3 бит. Дополнительная информация живой речи (интонация, ударения, громкость, тембр, акцент и т. д.) приблизительно составляет 75% смысловой информации. Определение количества информации в телемеханических сообщениях приводится в [30].
Объем сообщения и количество информации не. позволяют количественно оценивать содержание информации и определять ее ценность. В [30] рассмотрен экономический аспект ценности оперативной информации средствами телемеханики и предложена методика ее оценки.
Объем сигнала и емкость канала связи.
В целях определения количества информации, передаваемой с помощью канала связи, и формулирования требований, которые должны предъявляться к каналу связи, по которому передается этот сигнал, необходимо установить физические характеристики сигналов. В качестве основных физических характеристик желательно выбрать такое их небольшое число, которое было бы пригодно для всех без исключения сигналов. В качестве таких характеристик сигналов могут быть выбраны три параметра: длительность сигнала (или сообщения), динамический диапазон и ширина спектра частот.
Длительность сигнала Ts определяет интервал времени существования сигнала, и чем больше Ts, тем большее время будет занят канал.
Динамический диапазон определяется отношением
средней мощности сигнала Ps к средней мощности помехи Рпом. Динамический диапазон можно выражать логарифмом с основанием 2:
(2-2)
По некоммутируемым (прямым) телефонным каналам передача ведется со скоростью 2400 Бод и выше.
Количество информации I(х) относительно сообщения, содержащееся в сигнале на входе канала за секунду, называют скоростью ввода информации в канал. Количество информации I(х) относительно сообщения, содержащееся в сигнале уже на выходе канала за секунду, называют скоростью передачи информации по каналу. Максимальное значение скорости передачи информации есть пропускная способность канала.
