Под термином “информация” понимают различные сведения, которые поступают к получателю. В более строгой форме определение информации следующее:
Информация – совокупность сведений, данных о каких-либо событиях, процессах и т.п., предназначенных для хранения, передачи и преобразования и представляющих интерес для получателя.
В дальнейшем нас будут интересовать лишь вопросы, связанные с информацией как объектом передачи.
Сообщение является формой представления информации.
Носитель информации – сообщение. Например, текст, результат измерений, речь, изображение и т.п.
Одно и то же сведение может быть представлено в различной форме. Например, сведение о моменте начала наступления может быть передано по телефону или телеграфом или тремя зелеными ракетами. В первом случае мы имеем дело с информацией, представленной в непрерывном виде (непрерывное сообщение). Будем считать, что это сообщение вырабатывается источником непрерывных сообщений. Во втором и в третьем случае - с информацией, представленной в дискретном виде (дискретное сообщение). Это сообщение вырабатывается источником дискретных сообщений.
Основное отличие дискретного и непрерывного источников состоит в следующем. Множество всех различных сообщений, вырабатываемых дискретным источником всегда конечно. Поэтому на конечном отрезке времени количество символов дискретного источника так же является конечным. В то же время число возможных различных значений звукового давления (или напряжения в телефонной линии), измеренное при разговоре, даже на конечном отрезке времени, будет бесконечным.
Источником или получателем сообщения может быть человек или техническое средство. Для передачи сообщения от источника к получателю необходима передающая среда.
Информация, содержащаяся в сообщении, передается от источника сообщений к получателю по каналу передачи дискретных сообщений (ПДС) (рис.1.1).
Рис.1.1 – Тракт передачи дискретных сообщений
Отсюда следует, что общая схема системы передачи информации (СПИ) может быть представлена цепочкой «источник сообщений – передающая среда – получатель сообщений».
Передающей средой обычно являются технические средства и физическая среда, которые способны воспринимать сообщение и преобразовывать его в изменяющийся физический процесс S(t) (например, электрический ток или электромагнитные волны), называемый сигналом. Обратное преобразование сигнала в сообщение осуществляется техническими средствами на стороне получателя. Прямое и обратное преобразование должны осуществляться без потери информации.
Более полная модель СПИ показана на рис. 1.2. сигнал передается по каналу электросвязи, который представляет собой совокупность технических устройств и физической среды. В нем сигнал подвергается воздействию помех претерпевает искажения. Сигнал на выходе канала S*(t), в общем случае, отличается от входного S(t), что может привести к отличию принятого сообщения С*(t) от переданного С(t).
Рис. 1.2 – Модель СПИ
Характеристики источника дискретных сообщений.
Сообщение поступает от источника дискретных сообщений, который характеризуется алфавитом передаваемых сообщений A={a1, a2 …, ak}.
Алфавит – есть совокупность всех возможных (различных) сообщений (знаков) данного источника.
Объем алфавита – число различных символов алфавита k.
Каждое сообщение алфавита появляется с некоторой вероятностью.
Вероятность выдачи символа (сообщения) ai – p(ai).
Количество информации в сообщении (символе) определяется вероятностью его появления. Чем меньше вероятность появления того или иного сообщения, тем большее количество информации мы извлекаем при его получении. В 1928г. Хартли предложил определять количество информации, которое приходится на одно сообщение ai, выражением
.
Энтропия. Среднее количество информации Н(А), которое приходится на одно сообщение, поступающее от источника без памяти, получим, применяя операцию усреднения по всему объему алфавита
(1.1) |
Выражение (1.1) известно как формула Шеннона для энтропии источника дискретных сообщений. Энтропия – мера неопределенности в поведении источника дискретных сообщений.
Энтропия равна нулю, если с вероятностью единица источником выдается всегда одно и то же сообщение (в этом случае неопределенность в поведении источника сообщений отсутствует). Энтропия максимальна, если символы источника появляются независимо и с одинаковой вероятностью.
Один 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, выдаваемое источником в единицу времени, называют производительностью источника
, [бит/с], | (1.12) |
где – tср среднее время, отводимое на передачу одного символа (сообщения).
Среднее время может быть определено выражением .
Основные характеристики канала ПДС.
Для каналов передачи дискретных сообщений вводят аналогичную характеристику - скорость передачи информации по каналу R. Она определяется количеством бит, передаваемых в секунду. Максимально возможное значение скорости передачи информации по каналу называется пропускной способностью канала и обозначается С.
Пропускная способность непрерывного канала с белым гауссовским шумом определяется известной формулой Шеннона
, [бит/с],
где F – полоса пропускания канала, Гц;
Рс – полная мощность сигнала над полосой пропускания, Вт;
Рш – полная шумовая мощность над полосой пропускания, Вт;
Рс/Рш – отношение сигнала к его шуму.
Как видно из выражения данная величина определяется шириной полосы пропускания и соотношением сигнал-шум.
Сигналы – форма сообщения для передачи по каналу связи
Любая система связи обеспечивает передачу именно сигналов, а не сообщений. Поэтому сообщение, поступающее от источника, предварительно должно быть преобразовано в сигнал определенной природы (электрический, оптический …), который является его переносчиком в данной системе связи.
Виды сигналов. Различают четыре вида сигналов: непрерывный непрерывного времени, непрерывный дискретного времени, дискретный непрерывного времени и дискретный дискретного времени.
Непрерывные сигналы непрерывного времени называют сокращенно непрерывными (аналоговыми) сигналами. Они могут изменяться в произвольные моменты, принимая любые значения из непрерывного множества возможных значений (рис.1.3, а). К таким сигналам относится и известная всем синусоида.
а) б)
Рис.1.3 – Непрерывный сигнал непрерывного (а) и дискретного (б) времени
Непрерывные сигналы дискретного времени могут принимать произвольные значения, но изменяться только в определенные, наперед заданные (дискретные) моменты t1, t2, t3, ... (рис. 1.3, б).
Дискретные сигналы непрерывного времени отличаются тем, что они могут изменяться в произвольные моменты, но их величины принимают только разрешенные (дискретные) значения (рис. 1.4, а).
Дискретные сигналы дискретного времени (сокращенно дискретные) (рис. 1.4, б) в дискретные моменты времени могут принимать только разрешенные (дискретные) значения.
а) б)
Рис.1.4 – Дискретный сигнал непрерывного (а) и дискретного (б) времени
Сигналы, формируемые на выходе преобразователя дискретного сообщения в сигнал, как правило, являются по информационному параметру дискретными, то есть описываются функцией дискретного времени и конечным множеством возможных значений.
В технике передачи данных такие сигналы называют цифровыми сигналами данных (ЦСД).
Рассмотрим далее основные определения, относящиеся к ЦСД.
Представляющий (информационный) параметр сигнала данных - параметр сигнала данных, изменение которого отображает изменение сообщения.
На рис.1.5 изображен ЦСД, представляющим параметром которого является амплитуда, а множество возможных значений представляющего параметра равно двум (U=U1 и U=0).
Рис.1.5 – Цифровой сигнал данных