Функции каналов передачи информации. Передача информации. Согласование физических характеристик канала связи и сигнала

На сегодняшний день информация так быстро распространяется, что не всегда хватает времени ее осмыслить. Большинство людей редко задумываются о том, как и с помощью каких средств она передается, а уж тем более не представляют себе схему передачи информации.

Основные понятия

Передачей информации принято считать физический процесс перемещения данных (знаков и символов) в пространстве. С точки зрения передачи данных - это спланированное заранее, технически оснащенное мероприятие по перемещению информационных единиц за установленное время от так называемого источника к приемнику посредством информационного канала, или канала передачи данных.

Канал передачи данных - совокупность средств или среда распространения данных. Другими словами, это та часть схемы передачи информации, которая обеспечивает движение информации от источника к получателю, а при определенных условиях и обратно.

Классификаций каналов передачи данных много. Если выделить основные из них, то можно перечислить следующие: радиоканалы, оптические, акустические или беспроводные, проводные.

Технические каналы передачи информации

Непосредственно к техническим каналам передачи данных относятся радиоканалы, оптоволоконные каналы и кабельные. Кабель может быть коаксиальный или на основе витых пар. Первые представляют собой электрический кабель с медным проводом внутри, а вторые - витые пары медных проводов, изолированные попарно, находящиеся в диэлектрической оболочке. Эти кабели довольно гибкие и удобные в использовании. Оптоволокно состоит из оптоволоконных нитей, передающих световые сигналы посредством отражения.

Основными характеристиками являются пропускная способность и помехоустойчивость. Под пропускной способностью принято понимать тот объем информации, который можно передать по каналу за определенное время. А помехоустойчивостью называют параметр устойчивости канала к воздействию внешних помех (шумов).

Общее представление о передаче данных

Если не конкретизировать область применения, общая схема передачи информации выглядит несложно, включает в себя три компонента: «источник», «приемник» и «канал передачи».

Схема Шеннона

Клод Шеннон, американский математик и инженер, стоял у истоков теории информации. Им была предложена схема передачи информации по техническим каналам связи.

Понять эту схему несложно. Особенно если представить её элементы в виде знакомых предметов и явлений. Например, источник информации - человек, говорящий по телефону. Телефонная трубка будет являться кодирующим устройством, которое преобразует речь или звуковые волны в электрические сигналы. Каналом передачи данных в этом случае является узлы связи, в общем, вся телефонная сеть, ведущая от одного телефонного аппарата к другому. Декодирующим устройством выступает трубка абонента. Она преобразует электрический сигнал обратно в звук, то есть в речь.

В этой схеме процесса передачи информации данные представлены в виде непрерывного электрического сигнала. Такая связь называется аналоговой.

Понятие кодирования

Кодированием принято считать преобразование информации, посылаемой источником, в форму, пригодную для передачи по используемому каналу связи. Самый понятный пример кодирования - это азбука Морзе. В ней информация преобразуется в последовательность точек и тире, то есть коротких и длинных сигналов. Принимающая сторона должна декодировать эту последовательность.

В современных технологиях используется цифровая связь. В ней информация преобразуются (кодируется) в двоичные данные, то есть 0 и 1. Существует даже бинарный алфавит. Такая связь называется дискретной.

Помехи в информационных каналах

В схеме передачи данных также присутствует шум. Понятие "шум" в данном случае означает помехи, из-за которых происходит искажение сигнала и, как следствие, его потеря. Причины помех могут быть различные. Например, информационные каналы могут быть плохо защищены друг от друга. Для предотвращения помех применяют различные технические способы защиты, фильтры, экранирование и т. д.

К. Шенноном была разработана и предложена к использованию теория кодирование для борьбы с шумом. Идея заключается в том, что раз под воздействием шума происходит потеря информации, значит, передаваемые данные должны быть избыточны, но в то же время не настолько, чтобы снизить скорость передачи.

В цифровых каналах связи информация делится на части - пакеты, для каждого из которых вычисляется контрольная сумма. Эта сумма передается вместе с каждым пакетом. Приемник информации заново вычисляет эту сумму и принимает пакет, только если она совпадает с первоначальной. В противном случае пакет отправляется снова. И так до тех пор, пока отправленная и полученная контрольные суммы не совпадут.

Передача информации происходит от источника к получателю (приемнику) информации. Источником информации может быть все, что угодно: любой объект или явление живой или неживой природы. Процесс передачи информации протекает в некоторой материальной среде, разделяющей источника и получателя информации, которая называется каналом передачи информации. Информация передается через канал в форме некоторой последовательности сигналов, символов, знаков, которые называются сообщением . Получатель информации - это объект, принимающий сообщение, в результате чего происходят определенные изменения его состояния. Все сказанное выше схематически изображено на рисунке.

Передача информации

Человек получает информацию от всего, что его окружает, посредством органов чувств: слуха, зрения, обоняния, осязания, вкуса. Наибольший объем информации человек получает через слух и зрение. На слух воспринимаются звуковые сообщения - акустические сигналы в сплошной среде (чаще всего - в воздухе). Зрение воспринимает световые сигналы, переносящие изображение объектов.

Не всякое сообщение информативно для человека. Например, сообщение на непонятном языке хотя и передается человеку, но не содержит для него информации и не может вызвать адекватных изменений его состояния.

Информационный канал может иметь либо естественную природу (атмосферный воздух, через который переносятся звуковые волны, солнечный свет, отраженный от наблюдаемых объектов), либо быть искусственно созданным. В последнем случае речь идет о технических средствах связи.

Технические системы передачи информации

Первым техническим средством передачи информации на расстояние стал телеграф, изобретенный в 1837 году американцем Сэмюэлем Морзе. В 1876 году американец А.Белл изобретает телефон. На основании открытия немецким физиком Генрихом Герцем электромагнитных волн (1886 г.), А.С. Поповым в России в 1895 году и почти одновременно с ним в 1896 году Г.Маркони в Италии, было изобретено радио. Телевидение и Интернет появились в ХХ веке.

Все перечисленные технические способы информационной связи основаны на передаче на расстояние физического (электрического или электромагнитного) сигнала и подчиняются некоторым общим законам. Исследованием этих законов занимается теория связи , возникшая в 1920-х годах. Математический аппарат теории связи - математическую теорию связи , разработал американский ученый Клод Шеннон.

Клод Элвуд Шеннон (1916–2001), США

Клодом Шенноном была предложена модель процесса передачи информации по техническим каналам связи, представленная схемой.

Техническая система передачи информации

Под кодированием здесь понимается любое преобразование информации, идущей от источника, в форму, пригодную для ее передачи по каналу связи. Декодирование - обратное преобразование сигнальной последовательности .

Работу такой схемы можно пояснить на знакомом всем процессе разговора по телефону. Источником информации является говорящий человек. Кодирующим устройством - микрофон телефонной трубки, с помощью которого звуковые волны (речь) преобразуются в электрические сигналы. Каналом связи является телефонная сеть (провода, коммутаторы телефонных узлов, через которые проходит сигнал). Декодирующим устройством является телефонная трубка (наушник) слушающего человека - приемника информации. Здесь пришедший электрический сигнал превращается в звук.

Современные компьютерные системы передачи информации - компьютерные сети, работают по тому же принципу. Есть процесс кодирования, преобразующий двоичный компьютерный код в физический сигнал того типа, который передается по каналу связи. Декодирование заключается в обратном преобразовании передаваемого сигнала в компьютерный код. Например, при использовании телефонных линий в компьютерных сетях функции кодирования-декодирования выполняет прибор, который называется модемом.

Пропускная способность канала и скорость передачи информации

Разработчикам технических систем передачи информации приходится решать две взаимосвязанные задачи: как обеспечить наибольшую скорость передачи информации и как уменьшить потери информации при передаче. Клод Шеннон был первым ученым, взявшимся за решение этих задач и создавшим новую для того времени науку - теорию информации .

К.Шеннон определил способ измерения количества информации, передаваемой по каналам связи. Им было введено понятие пропускной способности канала , как максимально возможной скорости передачи информации. Эта скорость измеряется в битах в секунду (а также килобитах в секунду, мегабитах в секунду).

Пропускная способность канала связи зависит от его технической реализации. Например, в компьютерных сетях используются следующие средства связи:

Телефонные линии,

Электрическая кабельная связь,

Оптоволоконная кабельная связь,

Радиосвязь.

Пропускная способность телефонных линий - десятки, сотни Кбит/с; пропускная способность оптоволоконных линий и линий радиосвязи измеряется десятками и сотнями Мбит/с.

Шум, защита от шума

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, передаваемых по одним и тем же каналам. Иногда, беседуя по телефону, мы слышим шум, треск, мешающие понять собеседника, или на наш разговор накладывается разговор совсем других людей.

Наличие шума приводит к потере передаваемой информации. В таких случаях необходима защита от шума.

В первую очередь применяются технические способы защиты каналов связи от воздействия шумов. Например, использование экранированного кабеля вместо “голого” провода; применение разного рода фильтров, отделяющих полезный сигнал от шума, и пр.

Клодом Шенноном была разработана 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. Например, если при разговоре по телефону вас плохо слышно, то, повторяя каждое слово дважды, вы имеете больше шансов на то, что собеседник поймет вас правильно.

Однако нельзя делать избыточность слишком большой. Это приведет к задержкам и удорожанию связи. Теория кодирования позволяет получить такой код, который будет оптимальным. При этом избыточность передаваемой информации будет минимально возможной, а достоверность принятой информации - максимальной.

В современных системах цифровой связи для борьбы с потерей информации при передаче часто применяется следующий прием. Все сообщение разбивается на порции - пакеты . Для каждого пакета вычисляется контрольная сумма (сумма двоичных цифр), которая передается вместе с данным пакетом. В месте приема заново вычисляется контрольная сумма принятого пакета и, если она не совпадает с первоначальной суммой, передача данного пакета повторяется. Так будет происходить до тех пор, пока исходная и конечная контрольные суммы не совпадут.

Рассматривая передачу информации в пропедевтическом и базовом курсах информатики, прежде всего следует обсудить эту тему с позиции человека как получателя информации. Способность к получению информации из окружающего мира - важнейшее условие существования человека. Органы чувств человека - это информационные каналы человеческого организма, осуществляющее связь человека с внешней средой. По этому признаку информацию делят на зрительную, звуковую, обонятельную, тактильную, вкусовую. Обоснование того факта, что вкус, обоняние и осязание несут человеку информацию, заключается в следующем: мы помним запахи знакомых объектов, вкус знакомой пищи, на ощупь узнаем знакомые предметы. А содержимое нашей памяти - это сохраненная информация.

Следует рассказать ученикам, что в мире животных информационная роль органов чувств отличается от человеческой. Важную информационную функцию для животных выполняет обоняние. Обостренное обоняние служебных собак используется правоохранительными органами для поиска преступников, обнаружения наркотиков и пр. Зрительное и звуковое восприятие животных отличается от человеческого. Например, известно, что летучие мыши слышат ультразвук, а кошки видят в темноте (с точки зрения человека).

В рамках данной темы ученики должны уметь приводить конкретные примеры процесса передачи информации, определять для этих примеров источник, приемник информации, используемые каналы передачи информации.

При изучении информатики в старших классах следует познакомить учеников с основными положениями технической теории связи: понятия кодирование, декодирование, скорость передачи информации, пропускная способность канала, шум, защита от шума. Эти вопросы могут быть рассмотрены в рамках темы “Технические средства компьютерных сетей”.

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: 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.

На рис. 1 приняты следующие обозначения: X, Y, Z, W – сигналы, сообщения; f – помеха; ЛС – линия связи; ИИ, ПИ – источник и приемник информации; П – преобразователи (кодирование, модуляция, декодирование, демодуляция).

Существуют различные типы каналов, которые можно классифицировать по различным признакам:

1.По типу линий связи: проводные; кабельные; оптико-волоконные;

линии электропередачи; радиоканалы и т.д.

2. По характеру сигналов: непрерывные; дискретные; дискретно-непрерывные (сигналы на входе системы дискретные, а на выходе непрерывные, и наоборот).

3. По помехозащищенности: каналы без помех; с помехами.

Каналы связи характеризуются:

1. Емкость канала определяется как произведениевремени использования канала T к, ширины спектра частот, пропускаемых каналом F к и динамического диапазона D к . , который характеризует способность канала передавать различные уровни сигналов

V к = T к F к D к. (1)

Условие согласования сигнала с каналом:

V c £ V k ; T c £ T k ; F c £ F k ; V c £ V k ; D c £ D k .

2.Скорость передачи информации – среднее количество информации, передаваемое в единицу времени.

3.

4. Избыточность – обеспечивает достоверность передаваемой информации (R = 0¸1).

Одной из задач теории информации является определение зависимости скорости передачи информации и пропускной способности канала связи от параметров канала и характеристик сигналов и помех.

Канал связи образно можно сравнивать с дорогами. Узкие дороги – малая пропускная способность, но дешево. Широкие дороги – хорошая пропускная способность, но дорого. Пропускная способность определяется самым «узким» местом.

Скорость передачи данных в значительной мере зависит от передающей среды в каналах связи, в качестве которых используются различные типы линий связи.

Проводные:

1. Проводные – витая пара (что частично подавляет электромагнитное излучение других источников). Скорость передачи до 1 Мбит/с. Используется в телефонных сетях и для передачи данных.

2. Коаксиальный кабель. Скорость передачи 10–100 Мбит/с – используется в локальных сетях, кабельном телевидении и т.д.

3. Оптико-волоконная. Скорость передачи 1 Гбит/с.

В средах 1–3 затухание в дБ линейно зависит от расстояния, т.е. мощность падает по экспоненте. Поэтому через определенное расстояние необходимо ставить регенераторы (усилители).

Радиолинии:

1.Радиоканал. Скорость передачи 100–400 Кбит/с. Использует радиочастоты до 1000 МГц. До 30 МГц за счет отражения от ионосферы возможно распространение электромагнитных волн за пределы прямой видимости. Но этот диапазон сильно зашумлен (например, любительской радиосвязью). От 30 до 1000 МГц – ионосфера прозрачна и необходима прямая видимость. Антенны устанавливаются на высоте (иногда устанавливаются регенераторы). Используются в радио и телевидении.

2.Микроволновые линии. Скорости передачи до 1 Гбит/с. Используют радиочастоты выше 1000 МГц. При этом необходима прямая видимость и остронаправленные параболические антенны. Расстояние между регенераторами 10–200 км. Используются для телефонной связи, телевидения и передачи данных.

3. Спутниковая связь . Используются микроволновые частоты, а спутник служит регенератором (причем для многих станций). Характеристики те же, что у микроволновых линий.

2. Пропускная способность дискретного канала связи

Дискретный канал представляет собой совокупность средств, предназначенных для передачи дискретных сигналов .

Пропускная способность канала связи – наибольшая теоретически достижимая скорость передачи информации при условии, что погрешность не превосходит заданной величины.Скорость передачи информации – среднее количество информации, передаваемое в единицу времени. Определим выражения для расчета скорости передачи информации и пропускной способности дискретного канала связи.

При передаче каждого символа в среднем по каналу связи проходит количество информации, определяемое по формуле

I (Y, X) = I (X, Y) = H(X) – H (X/Y) = H(Y) – H (Y/X) , (2)

где: I (Y, X) – взаимная информация, т.е.количество информации, содержащееся в Y относительно X ; H(X) – энтропия источника сообщений; H (X/Y) – условная энтропия, определяющая потерю информации на один символ, связанную с наличием помех и искажений.

При передаче сообщения X T длительности T, состоящего из n элементарных символов, среднее количество передаваемой информации с учетом симметрии взаимного количества информации равно:

I(Y T , X T) = H(X T) – H(X T /Y T) = H(Y T) – H(Y T /X T) = n . (4)

Скорость передачи информации зависит от статистических свойств источника, метода кодирования и свойств канала.

Пропускная способность дискретного канала связи

Максимально-возможное значение, т.е. максимум функционала ищется на всем множестве функций распределения вероятности p(x) .

Пропускная способность зависит от технических характеристик канала (быстродействия аппаратуры, вида модуляции, уровня помех и искажений и т.д.). Единицами измерения пропускной способности канала являются: , , , .

2.1 Дискретный канал связи без помех

Если помехи в канале связи отсутствуют, то входные и выходные сигналы канала связаны однозначной, функциональной зависимостью.

При этом условная энтропия равна нулю, а безусловные энтропии источника и приемника равны, т.е. среднее количество информации в принятом символе относительно переданного равно

I (X, Y) = H(X) = H(Y); H (X/Y) = 0.

Если Х Т – количество символов за время T , то скорость передачи информации для дискретного канала связи без помех равна

где V = 1/ – средняя скорость передачи одного символа.

Пропускная способность для дискретного канала связи без помех

Т.к. максимальная энтропия соответствует для равновероятных символов, то пропускная способность для равномерного распределения и статистической независимости передаваемых символов равна:

Первая теорема Шеннона для канала:Если поток информации, вырабатываемый источником, достаточно близок к пропускной способности канала связи, т.е.

, где - сколь угодно малая величина,

то всегда можно найти такой способ кодирования, который обеспечит передачу всех сообщений источника, причем скорость передачи информации будет весьма близкой к пропускной способности канала.

Теорема не отвечает на вопрос, каким образом осуществлять кодирование.

Пример 1. Источник вырабатывает 3 сообщения с вероятностями:

p 1 = 0,1; p 2 = 0,2 и p 3 = 0,7.

Сообщения независимы и передаются равномерным двоичным кодом (m = 2 ) с длительностью символов, равной 1 мс. Определить скорость передачи информации по каналу связи без помех.

Решение: Энтропия источника равна

[бит/с].

Для передачи 3 сообщений равномерным кодом необходимо два разряда, при этом длительность кодовой комбинации равна 2t.

Средняя скорость передачи сигнала

V =1/2 t = 500 .

Скорость передачи информации

C = vH = 500 × 1,16 = 580 [бит/с].

2.2 Дискретный канал связи с помехами

Мы будем рассматривать дискретные каналы связи без памяти.

Каналом без памяти называется канал, в котором на каждый передаваемый символ сигнала, помехи воздействуют, не зависимо от того, какие сигналы передавались ранее. То есть помехи не создают дополнительные коррелятивные связи между символами. Название «без памяти» означает, что при очередной передаче канал как бы не помнит результатов предыдущих передач.

Для того чтобы передавать различную информацию, изначально должна быть создана среда ее распространения, которая представляет собой совокупность линий, или же каналов передачи данных со специализированным приемо-передающим оборудованием. Линии, или же каналы связи, представляют собой связующее звено в любой современной системе передачи данных, и с точки зрения организации подразделяются на два основных типа - это линии и каналы.

Линия связи представляет собой множество кабелей или же проводов, при помощи которых объединяются пункты связи между собой, а абоненты объединяются с ближайшими узлами. При этом каналы связи могут быть созданы самым разным образом в зависимости от особенностей определенного объекта и схемы.

Какими они могут быть?

Они могут представлять собой физические проводные каналы, которые основываются на использовании специализированных кабелей, а также могут быть волновыми. Волновые каналы связи формируются для организации в определенной среде всевозможных видов радиосвязи с использованием антенн, а также выделенной полосы частот. При этом как оптические, так и электрические каналы связи также подразделяются на два основных типа - это проводные и беспроводные. В связи с этим оптический и электрический сигнал может передаваться через провода, эфир, а также множество других способов.

В телефонной сети после того как будет набран номер, канал образуется на то время, пока будет присутствовать соединение, к примеру, между двумя абонентами, а также пока будет поддерживаться сеанс голосовой связи. Проводные каналы связи формируются посредством использования специализированного оборудования уплотнения, при помощи которого можно в течение длительного или же короткого времени передавать через линии связи информацию, которая подается из огромнейшего количества различных источников. Такие линии включают в себя одну или же одновременно несколько пар кабелей и предоставляют возможность передачи данных на достаточно большое расстояние. Вне зависимости от того, какие виды каналов связи рассматриваются, в радиосвязи они представляют собой среду передачи данных, которая организуется для какого-то определенного или же одновременно нескольких сеансов связи. Если речь идет именно о нескольких сеансах, то в таком случае может применяться так называемое частотное распределение.

Какие есть виды?

Точно так же, как и в современных средствах связи, существуют различные виды каналов связи:

• Цифровые.
• Аналоговые.
• Аналогово-цифровые.

Цифровые

Данный вариант является на порядок более дорогостоящим по сравнению с аналоговыми. При помощи таких каналов достигается предельно высокое качество транслирования данных, а также появляется возможность внедрения различных механизмов, с помощью которых достигается абсолютная целостность каналов, высокая степень защищенности информации, а также использование целого ряда других сервисов. Для того чтобы обеспечить передачу аналоговой информации через технические каналы связи цифрового типа, эта информация первоначально преобразуется в цифровую.

В конце 80-х годов прошлого века появилась специализированная цифровая сеть с интеграцией услуг, более известная сегодня многим как ISDN. Предполагается, что такая сеть с течением времени сможет превратиться в глобальную цифровую магистраль, которая обеспечивает соединение офисных и домашних компьютеров, обеспечивая им достаточно большую скорость транслирования данных. Основные каналы связи данного типа могут быть:

• Факс.
• Телефон.
• Устройства передачи данных.
• Специализированное оборудование для проведения телеконференций.
• И множество других.

В качестве конкуренции таким средствам могут выступать современные технологии, которые сегодня активно используются в сетях кабельного телевидения.

Другие разновидности

В зависимости от того, какая обеспечивается скорость передачи каналов связи, они подразделяются на:

• Низкоскоростные. В данную категорию входят всевозможные телеграфные линии, которые отличаются чрезвычайно низкой (почти отсутствующей по нынешним меркам) скоростью передачи данных, которая достигает максимум 200 бит/с.
• Среднескоростные. Здесь присутствуют аналоговые телефонные линии, обеспечивающие скорость передачи до 56000 бит/с.
• Высокоскоростные или же, как их еще называют, широкополосные. Передача данных по каналам связи данного типа осуществляется на скорости более 56000 бит/с.

В зависимости от того, какие предусматриваются возможности организации направлений передачи данных, каналы связи могут подразделяться на следующие типы:

• Симплексные. Организация каналов связи данного типа обеспечивает возможность транслирования данных только в каком-то определенном направлении.
• Полудуплексные. Используя такие каналы, данные могут передаваться как в прямом, так и в обратном направлениях.
• Дуплексные или же полнодуплексные. Используя такие каналы обратной связи, данные могут одновременно транслироваться в прямом и обратном направлениях.

Проводные

Проводные каналы связи включают в себя массу параллельных или же скрученных медных проводов, волоконно-оптических линий связи, а также специализированных коаксиальных кабелей. Если рассматривать, какие каналы связи используют кабеля, стоит выделить несколько основных:

• Витая пара. Обеспечивает возможность передачи информации на скорости до 1 Мбит/с.
• Коаксиальные кабели. К этой группе относятся кабели формата TV, включая как тонкий, так и толстый. В данном случае скорость передачи данных уже достигает 15 Мбит/с.
• Оптоволоконные кабели. Наиболее современный и производительный вариант. Каналы связи передачи информации данного типа предусматривают скорость около 400 Мбит/с, что значительно превышает все остальные технологии.

Витая пара

Представляет собой изолированные проводники, которые между собой попарно свиваются для того, чтобы значительно снизить наводки между парами и проводниками. Стоит отметить, что на сегодняшний день существует семь категорий витых пар:

• Первая и вторая применяются для того, чтобы обеспечить низкоскоростную передачу данных, причем первая представляет собой стандартный, хорошо известный всем телефонный провод.
• Третья, четвертая и пятая категории используются для обеспечения скоростей передачи до 16, 25 и 155 Мбит/с, при этом разные категории предусматривают различную частоту.
• Шестая и седьмая категории являются наиболее производительными. Речь идет о возможности передачи данных на скорости до 100 Гбит/с, что представляет собой самые производительные характеристики каналов связи.

Наиболее распространенной на сегодняшний день является третья категория. Ориентируясь на различные перспективные решения, касающиеся необходимости постоянно развивать пропускную способность сети, наиболее оптимальным будет использовать сети связи (каналы связи) пятой категории, которые обеспечивают скорость транслирования данных через стандартные телефонные линии.

Коаксиальный кабель

Специализированный медный проводник заключается внутрь цилиндрической экранирующей защитной оболочки, которая вьется из достаточно тонких жилок, а также является полностью изолированной от проводника при помощи диэлектрика. От стандартного телевизионного кабеля такой отличается тем, что в нем присутствует волновое сопротивление. Через такие информационные каналы связи данные могут передаваться на скорости до 300 Мбит/с.

Данный формат кабелей подразделяется на тонкий, который имеет толщину 5 мм, а также толстый - 10 мм. В современных ЛВС зачастую принято использовать тонкий кабель, так как он отличается предельной простотой в прокладывании и монтаже. Предельно высокая стоимость при непростой прокладке достаточно сильно ограничивают возможности использования таких кабелей в современных сетях передачи информации.

Сети кабельного телевидения

Такие сети основываются на применении специализированного коаксиального кабеля, аналоговый сигнал через который может транслироваться на расстояние до нескольких десятков километров. Типичная сеть кабельного телевидения отличается древовидной структурой, в которой основной узел получает сигналы со специализированного спутника или же через ВОЛС. На сегодняшний день активно используются такие сети, в которых используется волоконно-оптический кабель, при помощи которого обеспечивается возможность обслуживания больших территорий, а также транслирование более объемных данных, сохраняя при этом предельно высокое качество сигналов при отсутствии повторителей.

При симметричной архитектуре обратный и прямой сигналы транслируются при помощи единственного кабеля в разных диапазонах частот, и при этом с разными скоростями. Соответственно, обратный сигнал медленнее прямого. В любом случае, используя такие сети, можно обеспечить скорость передачи данных в несколько сотен раз больше по сравнению со стандартными телефонными линиями, в связи с чем последние уже давным-давно перестали использовать.

В организациях, в которых устанавливаются собственные кабельные сети, наиболее часто используются симметричные схемы, так как в данном случае как прямая, так и обратная передача данных осуществляется на одной скорости, которая составляет приблизительно 10 Мбит/с.

Особенности использования проводов

Количество проводов, которые могут использоваться для объединения домашних компьютеров и различной электроники, увеличивается с каждым годом. Согласно статистике, полученной в процессе исследований профессиональными специалистами, в 150-метровой квартире прокладывается приблизительно 3 км различных кабелей.

В 90-е годы прошлого века британская компания UnitedUtilities предложила довольно интересное решение данной проблемы при помощи собственной разработки под названием DigitalPowerLine, более известной сегодня по сокращению DPL. Компания предложила использовать стандартные силовые электросети в качестве среды для обеспечения высокоскоростного транслирования данных, осуществляя передачу пакетов информации или же голоса через обыкновенные электрические сети, напряжение которых составляло 120 или 220 В.

Наиболее успешной с этой точки зрения является израильская компания под названием Main.net, которая первой выпустила технологию PLC (PowerlineCommunications). При помощи данной технологии передача голоса или же данных осуществлялась со скоростью до 10 Мбит/с, при этом поток информации распределялся на несколько низкоскоростных, которые передавались на отдельных частотах, и в конечном итоге вновь объединялись в единый сигнал.

Использование технологии PLC на сегодняшний день является актуальным только в условиях транслирования данных на небольшой скорости, в связи с чем используется в домашней автоматике, различных бытовых устройствах и другом оборудовании. При помощи такой технологии достигается возможность выхода в интернет на скорости около 1 Мбит/с для тех приложений, которым требуется высокая скорость соединения.

При небольшом расстоянии между зданием и промежуточной приемопередающей точкой, которой служит трансформаторная подстанция, скорость транслирования данных может достигать 4.5 Мбит/с. Использование данной технологии активно осуществляется при формировании локальной сети в каком-нибудь жилом доме или же небольшом офисе, так как минимальная скорость передачи обеспечивает возможность покрытия расстояния до 300 метров. При помощи этой технологии обеспечивается возможность реализации различных услуг, связанных с дистанционным мониторингом, охраной объектов, а также управлением режимами объектов и их ресурсами, что входит в элементы интеллектуального дома.

Оптоволоконный кабель

Данный кабель составляется из специализированного кварцевого сердечника, диаметр которого составляет всего лишь 10 микронов. Этот сердечник окружается уникальной отражающей защитной оболочкой, внешний диаметр которой составляет около 200 микрон. Передача данных осуществляется посредством трансформации электрических сигналов в световые, используя, к примеру, какой-нибудь светодиод. Кодирование данных осуществляется посредством изменения интенсивности светового потока.

Осуществляя передачу данных, луч, который отражается от стенок волокна, в котором итоге поступает на приемный конец, имея при этом минимальное затухание. При помощи такого кабеля достигается предельно высокая степень защиты от воздействия со стороны каких-либо внешних электромагнитных полей, а также достигается достаточно высокая скорость передачи данных, которая может достигать 1000 Мбит/с.

Используя оптоволоконный кабель, есть возможность одновременной организации работы сразу нескольких сотен тысяч телефонных, видеотелефонных, а также телевизионных каналов. Если говорить о других преимуществах, присущих таким кабелям, стоит отметить следующие:

• Предельно высокая сложность несанкционированного подключения.
• Максимально высокая степень защиты от каких-либо возгораний.
• Достаточно высокая скорость передачи данных.

Однако если говорить о том, какие недостатки имеют такие системы, стоит выделить то, что они являются довольно дорогостоящими и обуславливают необходимость в трансформации световых лазеров в электрические и наоборот. Использование таких кабелей в преимущественном большинстве случаев осуществляется в процессе прокладки магистральных линий связи, а уникальные свойства кабеля сделали его еще и достаточно распространенным среди провайдеров, обеспечивающих организацию сети интернет.

Коммутация

Помимо всего прочего, каналы связи могут быть коммутируемыми или же некоммутируемыми. Первые создаются только на определенное время, пока нужно передавать данные, в то время как некоммутируемые выделяются абоненту на конкретный промежуток времени, и не имеют никакой зависимости от того, в течение какого времени осуществлялась передача данных.

WiMAX

Такие линии, в отличие от традиционных технологий радиодоступа, могут функционировать также на отраженном сигнале, который не находится в прямой видимости той или иной базовой станции. Мнение экспертов сегодня однозначно сходится в том, что такие мобильные сети раскрывают для пользователей огромные перспективы по сравнению с фиксированным WiMAX, который является предназначенным для корпоративных заказчиков. В этом случае информация может транслироваться на достаточно большое расстояние (до 50 км), при этом характеристики каналов связи данного типа включают в себя скорость до 70 Мбит/с.

Спутниковые

Спутниковые системы предусматривают использование специализированных антенн СВЧ-диапазона частот, которые используются для приема радиосигналов от каких-либо наземных станций, и потом ретранслируют полученные сигналы обратно на другие наземные станции. Стоит отметить, что такие сети предусматривают использование трех основных видов спутников, располагающихся на средних или низких, а также геостационарных орбитах. В преимущественном большинстве случаев принято запускать спутники группами, так как, разносясь друг от друга, с их помощью обеспечивается охват всей поверхности нашей планеты.