1. ВВЕДЕНИЕ

1.1. Информация и сигнал. Общая схема передачи информации

     Имеется множество определений понятия информации от наиболее общего философского (информация есть отражение реального мира) до практического (информация есть все сведения (данные), являющиеся объектом хранения, передачи, преобразования).

     Передается информацияв виде сигналов. Сигнал есть физический процесс, несущий в себе информацию. Сигнал может быть звуковым, световым, в виде почтового отправления и др. Наиболее распространен сигнал в электрической форме в виде зависимости напряжения от времени U(t).

     Рассмотрим общую схему передачи информации:

ИИ - источник информации (сообщение)

ПС - преобразование в электрический сигнал

Кд - кодирование

М - модулятор

ГН - генератор несущей

РУ - регистрирующее устройство

ДО - декодирование, обработка, выделение из помех

УНЧ - усилитель низкой частоты

Д - детектор (демодулятор)

УВЧ - усилитель высокой частоты

ИВЦ - избирательная входная цепь

Канал передачи информации - комплекс устройств, используемых для передачи информации от источника до получателя, а также разделяющая их среда.

     Рассмотрим каждый этап канала.

1. Сообщение может быть в виде знаков (печать), звуковых сигналов (речь, музыка), светового изображения или сигнала и др.

2. Преобразование речи и музыки в электрический сигнал осуществляется с помощью микрофона, преобразование изображений - с помощью телевизионных передающих трубок. Письменное сообщение сначала кодируется, когда каждая буква текста заменяется комбинацией стандартных символов (точки - тире, ноль - единица), которые затем преобразуются в стандартные электрические сигналы (например, импульсы разной длительности, полярности и т. д.). Кодированию могут подвергаться все сообщения, причем одновременно может производиться их шифровка.

     В радиолокации информация вносится при распространении сигнала в свободном пространстве.

3. Генерация высокочастотных колебаний. Основные требования: диапазон частот, стабильность частоты, мощность (до миллионов ватт). Общепринято следующее разделение электромагнитных волн по частотам.

Длинные: l = 10 км ¸ 1 км, f = 30 кгц ¸ 300 кгц.

Средние: l = 1000 м ¸ 100 м, f = 300 кгц ¸ 3 Мгц.

Короткие: l = 100 м ¸ 10 м, f = 3 Мгц ¸ 30 Мгц.

Ультракороткие (СВЧ):

метровые: l = 10 м ¸ 1 м, f = 30 Мгц ¸ 300 Мгц;

дециметровые: l = 1,0 м ¸ 0,1 м, f = 300 Мгц ¸ 3 Ггц;

сантиметровые: l = 10 см ¸ 1 см, f = 3 Ггц ¸ 30 Ггц;

миллиметровые: l = 10 мм ¸ 1 мм, f = 30 Ггц ¸ 300 Ггц.

     На выбор того или иного диапазона волн для каждой конкретной системы связи оказывают влияние следующие факторы:

     а) Особенности распространения электромагнитных волн данного диапазона, состояние пространства, в котором распространяется волна. Длинные волны сильно поглощаются землей, короткие и ультракороткие не огибают препятствия. Длинные, средние и короткие могут отражаться от верхних слоев атмосферы.

     б) Технические условия: направленность излучения, применение антенной системы соответствующих размеров, генерирование мощных колебаний и управление ими, схема приемного устройства.

     Направленность излучения можно обеспечить, если антенное устройство по размерам существенно превышает длину волны. Направленность имеет большое значение в радиолокации, радионавигации. Большая мощность колебаний требуется на длинных волнах вследствие поглощения землей, а на других диапазонах - при сверхдальней космической связи. Освоение новых диапазонов требует новых технических средств, вследствие чего переход в коротковолновую область происходил постепенно по мере освоения генерирующих устройств.

     в) Характер шумов и помех в данном диапазоне. Регулярно проводятся исследования прохождения радиоволн различных диапазонов.

     г) Характер сообщения (количество информации и связанная с этим ширина спектра (диапазон частот)).

     Так, телевидение ввиду большой передаваемой информации должно иметь широкий спектр частот, поэтому оно возможно только на УКВ.

4. Модуляция - изменение одного или нескольких параметров высокочастотного колебания по закону передаваемого сообщения. Частоты модулирующего сигнала должны быть малы по сравнению с частотой несущей.

5. Выделение нужного сигнала в приемнике из всех колебаний в эфире осуществляется входной избирательной цепью с помощью резонансных колебательных систем Df/f до 10^-5¸10^-6.

6. Усиление слабых сигналов в приемнике. Антенна принимает сигнал мощностью 10^-10¸10^-14 Вт ( ~ 10^-6 В). На выходе приемника для надежной регистрации сигнала требуется мощность порядка единиц ватт, т. о. необходимо усиление по мощности до 10¹⁰¸10¹⁴, по напряжению - до 10⁷. Это достигается с помощью многокаскадных усилителей высокой, промежуточной и низкой частот.

7. Детектирование (демодуляция) - выделение низкочастотного сообщения (информационного электрического сигнала) из модулированного высокочастотного сигнала. Осуществляется с помощью различного рода детекторов (синхронных, амплитудных, квадратичных).

8. Декодирование - восстановление исходной формы информационного сообщения из электрических сигналов стандартной формы после детектирования. Для зашифрованных сигналов производится расшифровка. В простейшей системе связи кодирующее и декодирующее устройства могут отсутствовать. При передаче сообщения по проводам (телеграф) могут отсутствовать радиопередающее и радиоприемное устройства.

     При многоканальной связи одно передающее и приемное устройства используются для параллельной (одновременной) передачи сигналов от нескольких источников информации с устройствами их смешения до передачи, выделения и разделения после приема.

     Основными разделами в теории сигналов и передачи информации вначале были разделы по структуре сигналов, их анализ и синтез, включая вопросы оценки переносимого ими количества информации и помехоустойчивости. Неотъемлемой частью является теория цепей и прохождение в них сигналов, синтез цепей и оптимальная обработка сигналов на фоне помех. В дальнейшем развивались такие направления, как математическое описание каналов передачи информации, создание методов помехоустойчивого и эффективного кодирования, разделение линий связи, распределение, накопление и передача информации в сетях, системный оптимальный синтез объектов информационной техники.

Определения

Информация - совокупность сведений об объектах, рассматриваемая с позиций передачи этих сведений в пространстве и во времени.

Сообщение - это информация, выраженная в определенной форме и предназначенная для передачи от источника к пользователю (тексты, фото, речь, музыка, телевизионное изображение и др.).

Сигнал - это физический процесс, распространяющийся в пространстве и времени, параметры которого способны отображать (содержать) сообщение.

     Теория сигналов и передачи информации изучает процессы формирования, накопления, сбора, измерения, переработки и преобразования (прохождения через цепи), хранения, передачи и приема информации, т. е. все процессы, которые имеют место при передаче информации на расстояние по определенным физическим средам (линиям связи) с помощью электрических сигналов.

1.2. Основные этапы развития радиоэлектроники

и передачи сигналов

     Мы можем гордиться, что именно наш соотечественник Александр Степанович Попов 7 мая 1895 года впервые в мире продемонстрировал беспроволочную связь. Изобретение радио явилось логическим следствием развития науки и техники. В 1831 г. Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. В 1864 г. Джеймс Максвелл теоретически предсказал электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света. В 1887 г. Генрих Герц экспериментально доказал, что колебательный разряд вызывает в пространстве волны электромагнитной природы, описываемые теорией Максвелла. Открытия этих ученых подготовлены множеством других. Независимо от Попова, но позже него Маркони (англичанин итальянского происхождения) в конце 1895 г. повторил опыты Попова по радиотелеграфии. Работы Попова опубликованы в январе 1896 г., а Маркони - в 1897 г.

     Одновременно шло развитие электронной техники. В 1884 г. Эдисоном открыта термоэлектронная эмиссия, и пока в 1901 г. Ричардсон изучал это явление, уже были созданы электронно-лучевые трубки. В 1904 г. была изобретена первая электронная лампа-диод (Флеминг, Англия) и использована для выпрямления высокочастотных колебаний в радиоприемнике. В 1905 г. Хелл (США) изобрел газотрон, в 1907 г. Форест (США) ввел в лампу управляющую сетку-триод. Первые отечественные триоды изготовили в 1914 -1916 г. г. независимо Папалекси Н. Д. и Бонч-Бруевич М. А. Электроника и радиотехника объединились в радиоэлектронику.

     В 1918 г. декретом В. И. Ленина создана Нижегородская радиолаборатория, разрабатывающая ламповые приемники и передатчики (до этого использовали искровые и машинные).

     В 1921 г. А. А. Чернышевым в Ленинграде изобретен косвенный подогревной катод.

     В 1922 г. в Москве вступила в строй 12-киловатная радиотелефонная станция, мощность которой больше суммарной мощности всех радиостанций мира.

     В 1933 г. введена в строй самая мощная радиостанция им. Коминтерна (500 кВт).

     Возникновение теории передачи информации связывают обычно с появлением фундаментальной работы американца К. Шеннона «Математическая теория связи» (1948 г.). Однако элементы теории передачи информации рассматривались в работах Р. Хартли по измерению количества информации (1928 г.) В. А. Котельникова о пропускной способности «эфира» и проволоки в электросвязи (1933 г.). Д. В. Агеева по основам теории линейной селекции сигналов (1935 г.), а также В. А. Котельникова по оптимальным методам приема сигналов на фоне помех (1946 г.).

     Дальнейшему развитию теории передачи информации способствовало появление теории случайных функций и статистических решений. Они позволили установить строгие количественные соотношения в теории передачи информации и сделать ее точной наукой. К 50-м годам уже стали классическими работы А. Я. Хинчина по теории корреляции стационарных случайных функций (1938 г.), Н.Н. Колмогорова и Н. Винера по интерполированию и экстраполированию стационарных случайных последовательностей (1941 г., 1949 г.). Многие теоремы в теории передачи информации имеют имена указанных ученых. Значительный вклад в развитие отдельных разделов теории внесли: А. А. Харкевич, Д. Миддитон, Р. М. Фано, У. Питерсон, О. Л. Добрушин, Л. Ф. Бородин, Л. М. Финк, Л. С. Гуткин, Б. Р. Левин и др.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ К ГЛАВЕ I.

1. Назовите диапазон частот (длин волн) электромагнитного излучения, используемый в радиосвязи.

2. Изобразите блок-схему канала передачи информации.

3. Перечислите основные процессы при передаче информации.

4. Дайте определение информации, сообщению, сигналу.