Информация, сообщения, сигналы и помехи

Системы связи предназначены для передачи информации. Информация передается посредством сообщений. Таким образом, сообщение – форма представления информации.

Примерами сообщений могут служить текст телеграммы, фраза в телефонном разговоре, последовательность цифр при передаче данных, изображение в системе фототелеграфии, последовательность изображений (кадров) в системе телевидения и т.п. Сообщение представляет собой совокупность знаков (символов). Например, текст телеграммы состоит из букв, цифр, пробелов и специальных знаков, а готовое для передачи по каналу связи телеграфное сообщение – из канальных символов (например, из «точек», «тире» и пауз при использовании «азбуки Морзе»).

В системе черно-белого телевидения сообщением является последовательность кадров, каждый из которых, в свою очередь, представляет собой последовательность значений яркости, упорядоченных согласно схеме телевизионной развертки. В телефонии сообщение – непрерывная последовательность значений напряжения (тока), отображающая изменение во времени звукового давления на мембрану микрофона.

Из приведенных примеров становится ясно, что сообщения могут быть дискретными (состоящими из символов, принадлежащих конечному множеству – алфавиту) или непрерывными (континуальными, аналоговыми), описываемыми функциями непрерывного времени.

Для передачи сообщения необходим материальный носитель, называемый сигналом. Сигналом может быть свет костра, удар барабана, звук речи или свистка, предмет, находящийся в условленном месте, взмах флажка или шпаги и т.п.

В радиотехнике и электрической связи используются электрические сигналы, которые благодаря простоте их генерирования и преобразования наилучшим образом приспособлены для передачи больших объемов данных на большие расстояния. Заметим, что в современных каналах связи и устройствах хранения данных электрические сигналы зачастую преобразуются в оптические или магнитные, но, как правило, предполагается их обратное преобразование.

Естественной формой представления сигнала считается его описание некоторой функцией времени (зависимой переменной чаще всего является напряжение или ток).

В современных системах связи используются разнообразные сигналы с различными свойствами. Эти сигналы могут быть классифицированы, хотя любая классификация достаточна условна. На рис. 1.1. представлена классификация, в основу которой положен принцип математического описания сигналов, используемый для теоретического изучения и проведения расчетов.

Математическое описание и представление сигналов позволяет создать математическую модель сигнала.

Если математическая модель позволяет точно описать сигнал, то такой сигнал называется детерминированным. В случае невозможности точного описания сигнала в любые моменты времени, сигнал называется случайным.

Высокочастотное модулированное колебание называется радиосигналом.

Сигнал без высокочастотного заполнения является видеосигналом.

Если сигнал может быть описан функцией s(t) = s(t + T), где T – период, он называется периодическим.

Рис. 1.1. Классификация сигналов

При невозможности такого представления, сигнал является непериодическим.

Сигнал, описывающий во времени непрерывно изменяющийся процесс, называется аналоговым. Сигнал конечной длительности является импульсным.

Иногда удобно передавать только значения непрерывного сигнала (отсчеты или выборки), взятые в отдельные моменты времени. Такой квантованный по времени сигнал называется дискретным. Если же передавать не сами выборки в виде коротких импульсов, а их числовые значения, то сначала необходимо эти значения получить. Эта процедура в технике связи называется квантованием по уровню. Таким образом, сигнал, квантованный по времени и уровню, называется цифровым.

Интересно отметить, что детерминированные сигналы не несут в себе никакой информации. Однако с их помощью возможно передавать информацию, если случайным будет расположение сигналов на временной оси. Например, телеграфный сигнал состоит из семи импульсов прямоугольной формы с заданными параметрами рис. 1.3г. Первый (стартовый) и последний (стоповый) импульсы обозначают начало и конец посылки. Информационное содержание посылки зависит от передаваемой в данный момент буквы алфавита и представляет собой соответствующую этой букве комбинацию токовых и безтоковых посылок.

На рис. 1.2. представлена другая возможная классификация сигналов.

Рис. 1.2. Классификация сигналов

По виду передаваемых сообщений сигналы, например, можно разделить на радиовещательные, телевизионные, телеграфные и т. д.

По полосе частот сигналы обычно подразделяются на узкополосные и широкополосные.

Для широкополосныхсигналов ΔF/F_ср>> 1, где

ΔF = F_max- F_min– абсолютная ширина спектра сигнала,

F_ср= (F_max+ F_min)/2 – средняя частота спектра сигнала,

F_max– максимальная частота в спектре сигнала,

F_min– минимальная частота в спектре сигнала.

Для узкополосных сигналов ΔF/F_ср< 1.

Сигналы так же делятся на сложные и простые в зависимости от величины базы сигнала В (произведение длительности сигнала на ширину полосы его спектра).

Для сложных сигналов В > 1,

где ΔF∙ΔТ – база сигнала, ΔF – абсолютная ширина спектра сигнала, ΔТ – длительность сигнала.

Для простых сигналов В = 1.

По виду модуляции сигналы различаются по признаку того параметра, который изменяется по закону передаваемого сообщения. Так как любое гармоническое колебание характеризуется амплитудой, частотой и мгновенной фазой, то и радиосигналы бывают с амплитудной модуляцией (АМ), с частотной (ЧМ) и фазовой модуляцией (ФМ). В настоящее время в системах связи используется большое разнообразие сигналов со сложными видами модуляции, например, с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ), Кодово-импульсной модуляцией (КИМ), широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). К настоящему времени разработан не один десяток сложных видов модуляции и, естественно, большое количество соответствующих сигналов с различными характеристиками.

На рис. 1.3 приведены осциллограммы различных, широко применяемых в системах связи, сигналов.

Рис. 1.3. Осциллограммы сигналов, применяемых в системах связи

На этом рисунке изображены следующие сигналы: а – периодический импульсный, б – непрерывный (аналоговый) радиосигнал с АМ, в – дискретный, г – случайный, д – цифровой кодированный, е – с амплитудной манипуляцей, ж – с частотной манипуляцей, з – с фазовой манипуляцей, и – с фазовой манипуляцией.

Необходимо также отметить, что жесткую классификацию к реальным сигналам применить невозможно. Например, сигнал (рис. 1.3а) можно классифицировать как детерминированный периодический импульсный видеосигнал, а сигнал (рис. 1.3з) как случайный радиосигнал с фазовой манипуляцией.

Кроме перечисленных, используются и другие критерии классификации сигналов, например, иногда различают информационные и управляющие сигналы (колебания) и т. д. Некоторые из перечисленных типов сигналов будут в дальнейшем рассмотрены подробнее.

В теории электрической связи принято рассматривать сигнал как «объект транспортировки». С этой точки зрения сигнал можно описать тремя «габаритными характеристиками», подобными длине, ширине и высоте груза, перевозимого, скажем, по железной дороге. Первая из таких характеристик – длительность сигнала T_с, измеряемая в секундах (с). Любой сигнал можно представить суммой (суперпозицией) гармонических колебаний с определенными частотами, поэтому вторая «габаритная характеристика» – ширина спектра, или полоса частот сигнала ΔF_с, равная разности наивысшей и низшей частот его гармонических составляющих и измеряемая в герцах (Гц). Третьей «габаритной» характеристикой служит динамический диапазон, измеряемый в децибелах (дБ) и определяемый формулой

D_c = 20lg(Х_max / Х_min),

где Х_max и Х_min – соответственно максимальное и минимальное возможные значения сигнала (напряжения или тока). Произведение этих трех величин называется объемом сигнала:

V_c =T_cΔF_cD_c

Полезные сигналы отличаются от мешающих тем, что полезные сигналы служат для передачи сообщений, в то время как мешающие являются причиной их искажения (потери информации).

Часто полезный сигнал называют просто сигналом, а мешающий – помехой. Сигналы и помехи, рассматриваемые в совокупности, будем называть колебаниями.

Помехи могут быть естественными и преднамеренными (искусственными), шумовыми (флюктуационными) и импульсными, активными и пассивными и т.д.

Необходимо отметить, что одно и то же колебание может быть полезным сигналом по отношению, например, к одной системе связи или радиолокации и помехой – по отношению к другой.

Стоит также отметить, что все помехи, как и все сигналы, являются случайными (если помеха детерминированна, то её можно исключить из наблюдаемого колебания и таким образом избавиться от её вредного воздействия на сообщение).

На рис. 1.4 приведены примеры случайного сигнала и случайной (шумовой) помехи.

Рис. 1.4. Случайный (речевой) сигнал (а) и случайная помеха (шум) (б)

По способу взаимодействия с сигналом помехи подразделяются на аддитивные (от английского add – складывать), мультипликативные (от английского multiply – умножать) и смешанные (все взаимодействия, не сводимые к аддитивному или мультипликативному).