Как осуществляется передача информации. Информационные процессы — Гипермаркет знаний

Каждый человек постоянно сталкивается с информацией, притом так часто, что смысл самого понятия объяснить может не каждый. Информация - это сведения, которые передаются от одного лица другому при помощи различных средств связи.

Существуют различные способы передачи данных, о которых речь пойдет далее.

Каким образом передается информация

В процессе развития человечества происходит постоянное совершенствование механизмов, при помощи которых передаются сведения. Способы хранения и передачи информации довольно разнообразны, поскольку существует несколько систем, в которых происходит обмен данных.

В системе передачи данных различают 3 направления: это передача от человека к человеку, от человека к компьютеру и от компьютера к компьютеру.

• Первоначально сведения получают при помощи органов чувств - зрения, слуха, обоняния, вкуса и осязания. Для передачи информации на ближнем расстоянии существует язык, который позволяет сообщить полученные сведения другому человеку. Кроме того, передать что-либо другому человеку можно, написав письмо либо в процессе спектакля, а также при разговоре по телефону. Несмотря на то, что в последнем примере используется средство связи, то есть промежуточное устройство, оно позволяет передать сведения в непосредственном контакте.
• Для передачи данных от человека к компьютеру необходимо введение ее в память устройства. Информация может иметь разный вид, о чем будет идти разговор далее.
• Передача от компьютера к компьютеру происходит посредством промежуточных устройств (флеш-карты, интернета, диска и т. д.).

Обработка информации

После получения необходимых сведений возникает необходимость их хранения и передачи. Способы передачи и обработки информации наглядно представляют этапы развития человечества.

• В начале своего развития обработка данных представляла собой перенесение их на бумагу при помощи чернил, пера, ручки т. д. Однако недостаток такого способа обработки заключался в ненадежности хранения. Если упоминать способы хранения и передачи информации, хранение на бумаге имеет определенный срок, который определяется сроком службы бумаги, а также условиями ее эксплуатации.
• Следующим этапом является механическая информационная технология, при которой используется печатная машинка, телефон, диктофон.
• Далее на смену механической системе обработки сведений пришла электрическая, ведь способы передачи информации постоянно совершенствуются. К таким средствам относят электрические пишущие машинки, портативные диктофоны, копировальные машинки.

Виды информации

Виды и способы передачи информации отличаются в зависимости от ее содержания. Это могут быть текстовые сведения, представляемые в устной и письменной форме, а также символьные, музыкальные и графические. К современным видам данных относят также видеоинформацию.

С каждой из этих форм хранения информации человек имеет дело каждый день.

Средства передачи информации

Средства передачи информации могут быть устными и письменными.

• К устным средствам относят выступления, собрания, презентации, доклады. При использовании этого метода можно рассчитывать на быструю реакцию оппонента. Использование дополнительных невербальных средств в процессе разговора способно усилить эффект от речи. К таким средствам относят мимику, жесты. Однако в то же время информация, получаемая в устном виде, не имеет долгосрочного действия.
• Письменные средства информации - это статьи, отчеты, письма, записки, распечатки и т. д. При этом не приходится рассчитывать на быструю реакцию публики. Однако преимуществом является то, что полученную информацию можно перечитать, усвоив тем самым информацию.

Способы представления информации

Как известно, информация может быть представлена в нескольких формах, что, однако, не меняет ее содержания. Например, дом можно представить как слово или графическое отображение.

Способы представления и передачи информации можно изобразить в виде следующего списка:

• Текстовая информация. Позволяет наиболее полно предоставить информацию, однако может содержать большой объем данных, что способствует плохому ее усвоению.
• Графическое изображение - это график, схема, диаграмма, гистограмма, кластер и т. д. Они позволяют кратко представить информацию, установить логические связи, причинно-следственные отношения. Кроме того, информация в графическом виде позволяет найти решения различных вопросов.
• Презентация является красочным наглядным примером способа представления информации. В ней могут сочетаться как текстовые данные, так и графическое их отображение, то есть различные виды представления информации.

Понятие о коммуникации

Коммуникацией называют систему взаимодействия между несколькими объектами. В обобщенном смысле это и есть передача информации от одного объекта другому. Коммуникации являются залогом успешной деятельности организации.

Способы передачи информации (коммуникации) выполняют следующие функции: организационную, интерактивную, экспрессивную, побудительную, перцептивную.

Организационная функция обеспечивает между сотрудниками систему отношений; интерактивная позволяет формировать настроение окружающих; экспрессивная окрашивает настроение окружающих; побудительная призывает к действию; перцептивная позволяет различным собеседникам понимать друг друга.

Современные способы передачи информации

К наиболее современным способам передачи информации относят следующие.

В интернете содержится огромное количество информации. Это позволяет черпать для себя массу знаний, не утруждаясь изучением книг и других бумажных источников. Однако, помимо этого, он содержит способы и средства передачи информации, аналогичные исторически более давним моделям. Это аналог традиционной почты - электронная почта, или e-mail. Удобство использования этого вида почты заключается в скорости передачи письма, исключении этапности доставки. На сегодняшний день практически каждый имеет электронный адрес, и связь со многими организациями поддерживается именно посредством этого способа передачи информации.

GSM-стандарт цифровой сотовой связи, который широко применяется повсеместно. При этом происходит кодирование устной речи и передача ее через преобразователь другому абоненту. Вся необходимая информация размещается в sim-карте, которая вставляется в мобильное устройство. На сегодняшний день наличие данного средства связи является необходимостью в качестве средства коммуникации.

WAP позволяет просматривать на экране мобильного телефона web-страницы с информацией в любом ее виде: текстовом, числовом, символьном, графическом. Изображение на экране может быть адаптировано под экран мобильного телефона либо иметь вид, аналогичный компьютерному изображению.

Способы передачи информации современного типа включают также GPRS, который позволяет осуществлять пакетную передачу данных на мобильное устройство. Благодаря этому средству связи возможно беспрерывное использование пакетными данными одновременно большим количеством человек одновременно. Среди свойств GPRS можно назвать высокую скорость передачи данных, оплату только за переданную информацию, большие возможности использования, параметры совместимости с другими сетями.

Интернет посредством использования модема позволяет получить высокую скорость передачи информации при низкой стоимости такого доступа. Большое количество интернет-провайдеров создает высокий уровень конкуренции между ними.

Спутниковая связь позволяет получить доступ в интернет посредством спутника. Преимуществом такого способа является низкая стоимость, высокая скорость передачи данных, однако среди недостатков есть ощутимый - это зависимость сигнала от погодных условий.

Возможности использования средств передачи информации

По мере появления новых средств передачи информации возникают возможности нетрадиционного использования различных устройств. Например, возможность видеоконференции и видеозвонка вызвала идею использовать оптические устройства в медицине. Таким образом происходит получение информации о патологическом органе при непосредственном наблюдении во время операции. При использовании такого способа получения информации нет необходимости делать большой разрез, проведение операции возможно при минимальном повреждении кожи.

Общая характеристика процесса сбора, передачи, обработки и накопления информации.

1. Сбор и регистрация информации - это деятельность субъекта, в ходе которой он получает сведения об интересующем его объекте. Сбор информации может производиться или человеком, или с помощью технических средств и систем - аппаратно. Например, пользователь может получить информацию о движении поездов или самолетов сам, изучив расписание, или же от другого человека непосредственно, либо через какие-то документы, составленные этим человеком, или с помощью технических средств (автоматической справки, телефона и т. д.). Задача сбора информации не может быть решена в отрыве от других задач, - в частности, задачи обмена информацией (передачи).

Сбор и регистрация информации организуется различными способами:

§ Механизированный (например: ввод данных с клавиатуры);

§ Автоматизированный (ввод информации с использованием специальных устройств (например: с помощью сканера можно осуществить ввод любой текстовой и графической информации и даже рукописного текста; с помощью звуковой карты компьютер записывает звуки музыки и голоса);

§ Автоматический способ организации сбора и регистрации информации предусматривает сбор данных непосредственно с датчиков и передачу их в ЭВМ без участия человека.

Передача, информации необходима для того или иного ее распространения. Общая схема передачи такова: источник информации - канал связи - приемник (получатель) информации

Передача информации может производиться как до обработки, так и после неё, т.к. исходные данные обрабатываются обычно не в местах их возникновения, а результаты обработки используются различными органами управления, которые находятся по месту обработки информации.

Передача осуществляется с помощью транспортных средств и по каналам связи.

Основными устройствами для быстрой передачи информации на большие расстояния в настоящее время являются телеграф, радио, телефон, телевизионный передатчик, телекоммуникационные сети на базе вычислительных систем.

Для передачи информации с помощью технических средств используются кодирующее устройство, предназначенное для преобразования исходного сообщения источника информации к виду, удобному для передачи, и декодирующее устройство, необходимое для преобразования кодированного сообщения в исходное.

При передаче информации необходимо учитывать тот факт, что информация при этом может теряться или искажаться, т.е. присутствуют помехи. Для нейтрализации помех при передаче информации зачастую используют помехоустойчивый избыточный код, который позволяет восстановить исходную информацию даже в случае некоторого искажения.

Передача информации между компьютерами осуществляется с помощью локальных и глобальных сетей. Передача через локальную сеть позволяет организовать совместную работу отдельных компьютеров, решать одну задачу с помощью нескольких компьютеров, совместно использовать ресурсы и решать множество других проблем. Глобальная сеть предоставляет огромные возможности передачи информации: электронная почта, телеконференции, информационная служба WWW, чаты и т.д..

3. Арифметическая и логическая обработка информации .

Обработка информации - это упорядоченный процесс ее преобразования в соответствии с алгоритмом решения задачи. Арифметическая и логическая обработка информации может выполняться человеком в «рукопашную» с использованием различных технических устройств, например, калькулятора или с помощью компьютера с использованием различных программ, учитывающих особенности решаемых задач.

По стадии обработки информация может быть :

Первичная информация - это информация, которая возникает непосредственно в процессе деятельности объекта и регистрируется на начальной стадии.

Вторичная информация - это информация, которая получается в результате обработки первичной информации и может быть промежуточной и результатной.

Промежуточная информация используется в качестве исходных данных для последующих расчетов.

Результатная информация получается в процессе обработки первичной и промежуточной информации и используется для выработки управленческих решений.

4. Хранение информации - это процесс поддержания исходной информации в виде, обеспечивающем выдачу данных по запросам конечных пользователей в установленные сроки. Хранение информации организуется как в памяти компьютера, так и на технических носителях (различных дисках), на бумажных носителях.

5. Преобразование информации в вид, удобный для её анализа.

После решения задачи обработки информации результат должен быть выдан конечным пользователям в требуемом виде, Эта операция реализуется в ходе решения задачи выдачи информации. Выдача информации, как правило, производится с помощью внешних устройств ЭВМ в виде текстов, таблиц, графиков и пр.

Человек постоянно участвует в разнообразных процессах дома, на работе, на улице, в общественных местах.

Под процессом понимают ход, развитие какого-нибудь явления, последовательную смену состояния объекта.

Одни процессы характерны для общества, другие - для живой природы.

В одних ситуациях человек активно участвует в процессе: например, школьник в процессе обучения, водитель - при управлении автомобилем, рабочий - при строительстве дома и т. д.

Особую роль среди всего существующего разнообразия процессов занимает процесс, называемый информационным.

Информационный процесс - это процесс сбора (приёма), передачи (обмена), хранения, обработки (преобразования) информации.

Информационные процессы протекают в человеческом обществе, в растительном и животном мире. С помощью органов чувств люди воспринимают информацию, осмысливают её и на основании своего опыта, имеющихся знаний, интуиции принимают определённые решения. Эти решения воплощаются в реальные действия, которые воздействуют на окружающий мир.

Информационные процессы свойственны растительному и животному миру. Почему осенью листья опадают, весь растительный мир засыпает на время холодов?

Почему с приходом весны листья появляются опять, вырастает трава, распускаются цветы?

Почему определенные виды растений зацветают в одно и то же время года?

Аналогичные, но уже более сложные процессы происходят и в животном мире. Реакцию животного на поступающую информацию определяет степень развития мозга. Так, для собаки и ежа, которые живут в квартире у одного хозяина, одно и то же событие может нести разную информацию, а, значит, они по-разному воспринимают происходящие вокруг них информационные процессы.

Пример:

Звонок в дверь для собаки является сигналом о появлении человека, а для ежа он не значит ничего, то есть не несет никакой информации. С другой стороны, прикосновение руки для ежа служит сигналом опасности - он сворачивается в шар, а собака реагирует на прикосновение как на ласку.

Можно продолжить перечень подобных информационных процессов в животном мире.

Попробуй это сделать самостоятельно.

Станет ясно, что в человеческом обществе, в растительном и животном мире постоянно протекает множество информационных процессов, в которых люди, животные и растения участвуют в соответствии со своими возможностями.

В неживой природе изменения могут происходить только в результате прямого физического или химического воздействия, а не информационных процессов.

В середине \(XX\) века многократно увеличилась интенсивность информационных процессов. Лавинообразный поток информации, хлынувший на человека, уже не воспринимается в полном объёме; ориентироваться в нем становится всё труднее и труднее.

Подчас оказывается проще создать новый материальный или интеллектуальный продукт, нежели разыскать сделанный ранее аналог.

Для более эффективного участия в информационных процессах человек создавал и создаёт различные устройства, которые помогают ему воспринимать, преобразовывать, хранить и использовать информацию.

Основные типы информационных процессов

Физиологические возможности человека не позволяют ему передавать большие объемы информации па значительные расстояния без технических средств. Поэтому используются специальные преобразователи сообщений в электрический сигнал и обратно. Например, преобразование звуковых колебаний в электрические осуществляется с помощью микрофона. Обратное преобразование сигнала в звуковые колебания производится электродинамическим громкоговорителем. Преобразование оптического изображения в электрический сигнал осуществляется на основе фотоэффекта. Для решения проблемы передачи информации человечество создало и использует технические средства - телекоммуникации.

Термин «телекоммуникация» состоит из слов теле (от греч. tele - далеко) и коммуникация (от лат. commnication - связь) и означает связь на расстоянии. К телекоммуникациям относятся электросвязь, подвижная, спутниковая и волоконно-оптическая связь, телевидение, Интернет (англ. - Internet ), системы глобального позиционирования, локальные компьютерные сети, электронный банкинг, банкоматы, интернет-магазины, социальные сети, поисковые системы и многое другое. Электросвязь, осуществляемую с помощью радиосигналов, называют радиосвязью.

Фактически телекоммуникации - это передача или прием знаков, сигналов, сообщений, изображений и звуков или информации другого вида с помощью радио, визуальных или других электромагнитных систем.

Человечество живет в постоянно изменяющемся и пополняющемся информационном мире. То, что человек видит, слышит, помнит, знает, - все это различные формы информации. Как образно отметил К. Шеннон, «информация - послание, которое уменьшает неопределенность» (есть и такое похожее определение «информация есть устраненная неопределенность»). Но любое использование информации возможно лишь при условии ее передачи на расстояние.

Термином «информация» (от лат. infounatio - разъяснение, изложение, ознакомление) с древних времен люди обозначали процесс разъяснения, изложения, толкования различных сведений. Позднее так называли и сами сведения, и их передачу пользователю в любом конкретном виде. В общем случае под информацией понимают сведения о каких-либо событиях, фактах или предметах.

Техника связи тесно связана с теорией информации и передачей ее на расстояние. В настоящее время понятия «информация» и «сообщение» в повседневной жизни люди употребляют очень часто. Вместе с тем эти понятия сложны, хотя и близки по смыслу, поэтому дать их точные определения через более простые термины достаточно трудно.

Совокупность знаков (символов , от греч. symbol - знак - англ, character, символами могут быть цифры, буквы и элементы алфавита, отдельные слова и фразы человеческой речи, жесты и рисунки, формы электрических или световых колебаний и т.д.), отображающая (несущая ) информацию , называется сообщением. Сообщение - совокупность символов конечного алфавита, являющаяся формой выражения информации. Иногда сообщение трактуют как информацию, выраженную в определенной форме и подлежащую передаче. В информатике сообщение - это форма представления информации, имеющая признаки начала и конца, предназначенная для передачи через среду связи. Чтобы передать информацию, надо передать содержащее эту информацию сообщение.

Различают оптические (телеграмма, фотография, телевидение) и звуковые (речь, музыка) сообщения. Документальные сообщения фиксируются и хранятся на определенных носителях, раньше на бумаге, а теперь и на электронных носителях.

Сообщение представляют в виде телеграммы, сведений, передаваемых по телефону, радио, телевидению и т.д., совокупности электронных данных, хранящихся на магнитных носителях, флеш-памяти (от англ, flash - вспышка; перепрограммируемая постоянная энергонезависимая память), используемых в компьютерах. Этот вид информации называют электронным. Электронный вид информации привел к Интернету.

Internet (сокращ. от англ. Interconnected networks - Всемирная система объединенных компьютерных сетей) - глобальная мировая информационно-телекоммуникационная сеть информационных и вычислительных ресурсов. Эту технологию организации обмена информацией между различными техническими системами и сетями связи называют WWW-технологией (WWW - World Wide Web - Всемирная паутина). Сеть (рис. 1.1) объединяет миллионы компьютеров и позволяет обмениваться информацией миллиардам людей.

В телевизионных (телевидение - от грсч. tele - далеко и лат. video - вижу: далеко видеть) системах при передаче движущихся изображений сообщение представляет собой изменение во времени яркости элементов изображения.

Начало пониманию информации как всеобщего свойства материи было положено Н. Винером в его монографии «Кибернетика, или управления и связь в животном и машине» (1948). Современная информационная наука находит применение в самых разных областях. Поэтому до сих пор еще нет всеобщего для всех наук классического определения понятия «информация». Применяемое в связи современное понятие «информация» ввели в начале XX в. Р. Хартли и К. Шеннон. Под информацией понимают совокупность сведений о каких-либо событиях, явлениях или предметах, предназначенных для передачи, приема, обработки, преобразования, хранения или непосредственного использования.

Зависимость информации от времени существования ее носителя - важнейшее информационное свойство материи, которое и является памятью. Важно то, что в отличие от материального и энергетического ресурсов информационный не уменьшается при потреблении, а существенно пополняется и накапливается со временем (ученые считают, что объем человеческих знаний удваивается каждые 10 лет, а объем информации - каждые 1-2 года; для сравнения можно отметить, что производительность и быстродействие компьютеров увеличиваются вдвое менее чем через 1,5 года). Более то-

Рис. 1.1.

каждая линия расположена между двумя узлами, соединяя /P-адреса; длина линии показывает временную задержку (пинг) между узлами (источник: www.opte.org/maps) го, с помощью специальных технических и вычислительных средств информационный ресурс сравнительно просто обрабатывается, преобразуется и передается на значительные расстояния. Появилась новая наука о преобразовании информации - информатика.

Часто наряду с информацией, особенно при описании действия цифровых устройств п вычислительных систем, употребляют такое понятие, как данные. Используемые данные являются уже информацией.

Особенностью информации является возможность ее многократного применения. В частности, при извлечении информации из памяти компьютера информация, записанная в памяти, не исчезает, а начинает свое самостоятельное существование и может быть использована различным образом. Как правило, с течением времени память ухудшается в результате роста энтропии (от греч. entropia - круговорот, превращение) системы памяти, и записанная информация может постепенно стираться. Другая принципиальная особенность информации состоит в том, что обычно ее получают в одном месте, а используют в другом, и поэтому требуется ее передать на какое-то расстояние.

Коммуникации могут быть разделены следующим образом.

Зрительная связь - средство, доступное для всех. Зрительные сигналы передаются флагами, огнями, пиротехникой, прямыми сигналами и другими заранее подготовленными визуальными средствами, например такими, как маневры самолета.

Звуковое вещание предполагает передачу звуковых программ, предназначенных для непосредственного приема населением.

Видеотелефонная связь рассчитана на одновременную передачу изображения и речевых сообщений.

Телевидение применяется для передачи голосовой и видеоинформации и требует дорогостоящего оборудования и широкодиапазонных линий связи.

Передача данных, как правило, обеспечивает связь человека с компьютером, а также между компьютерами.

Телеграфия - метод передачи письменных сообщений по проводам. Это относительно медленный метод, приблизительно 10-15 слов/мин, но он используется тогда, когда другие типы радиопередачи подавлены.

Телетайп - быстрый метод (40-100 слов/мин) передачи сообщения но проводным или многоканальным радиолиниям или по радиотелетайпу. Обычно используется в общей сети связи, доступной через центр связи.

Фототелеграф {факс) - относительно медленный метод передачи неподвижных изображений: текстов, таблиц, чертежей, фотографий и т.д. Обычно используется для прямой связи, чтобы ответить определенному требованию.

Связь - электронная техническая база, обеспечивающая передачу и прием информации между удаленными друг от друга людьми или устройствами и системами.

Телекоммуникационные системы и сети - пространственно-распределенные системы массового обслуживания в виде совокупности технических устройств, алгоритмов и программного обеспечения, обеспечивающие получение и обмен информацией в любое время суток и в любой точке земного шара при помощи электрических и электромагнитных колебаний по кабельным, волоконно-оптическим и радиотехническим каналам в различных диапазонах волн. Эти системы позволяют передавать, накапливать и распределять информационные данные, тексты, изображения, аудио- и мультимедийную информацию, стереофонические программы, обеспечивать доставку электронной почты, предоставлять услуги Интернета.

Современные телекоммуникации (в том числе системы связи) используют множество различных технологий, количество которых стремительно увеличивается. Однако наибольшее развитие получили:

• системы связи по электрическим кабелям (КСС);
• волоконно-оптические линии связи (ВОЛС);
• системы связи с искусственными спутниками Земли (ИСЗ);
• узкополосные и широкополосные наземные системы электросвязи;
• оптические системы связи открытого распространения.

В этом перечне системы связи разделяются на группу кабельных (КСС и ВОЛС) и группу беспроводных систем.

На рис. 1.2 показана условная диаграмма областей применения различных телекоммуникационных систем, относящихся к цифровым технологиям. Выделены две большие основные области применения: системы связи с ИСЗ и ВОЛС.

Системы связи по электрическим кабелям получили наибольшее распространение в распределительных сетях (например, в системах кабельного телевидения) и системах дальней связи, однако высокая стоимость исходных материалов (цветных и драгоценных металлов) наряду с относительно небольшой полосой пропускания делают проблематичной конкурентоспособность подобных устройств в будущем. Общими недостатками кабельных структур являются долгое время строительства, связанное с земляными или подводными работами, подверженность воздействию природных катаклизмов, актов вандализма и терроризма и все возрастающая стоимость прокладочных работ.

В волоконно-оптических линиях связи удается реализовать все преимущества света как носителя информации. Такие линии обладают высокой пропускной способностью (под пропускной способностью системы связи

Рис. 1.2.

понимают предельно достижимое количество передаваемой информации (или наибольшую скорость передачи информации - число бит в секунду), которое можно передать через сети; это называют и емкостью С), невосприимчивы к электромагнитным помехам, не подвергаются коррозии в агрессивных средах, имеют малую массу, передача по ним недоступна для подслушивания и перехвата.

К характерным особенностям систем связи через ИСЗ относятся возможности передавать относительно небольшие объемы информации на очень большие расстояния и перекрывать значительные площади.

Наземные беспроводные системы играют значительную роль, успешно конкурируя с ВОЛС и спутниковыми сетями, особенно для связи на небольшие расстояния. К таким системам относятся оптические системы связи открытого распространения, а также узкополосные и широкополосные системы связи.

Оптические системы связи открытого распространения , получающие развитие в последние годы, подразделяются на инфракрасные и лазерные. Эти системы позволяют передавать значительные объемы информации на малые расстояния (сотни и тысячи метров). Небольшая дальность объясняется потерями в атмосфере из-за тумана, дождя, снега, смога, града и различными естественными и искусственными препятствиями. Лучшие системы позволяют передавать цифровые потоки со скоростью более 200 Мбит/с на расстояние до 4-5 км при любых погодных условиях, концентрируя сигнал в чрезвычайно плотный луч и применяя автоматический поиск и юстировку (настройку) системы, которая удерживает луч света в апертуре (площади поверхности) приемной антенны.

К характерной особенности развития современных систем связи можно отнести переход на все более высокочастотные участки радиодиапазона от 5 до 100 ГГц. При этом обеспечивается передача больших объемов информации на расстоянии прямой видимости. Излучение на частотах нижних участков диапазона проходит через атмосферу лучше и, к примеру, в диапазоне 2 ГГц может перекрыть расстояние вплоть до 100 км, а радиосистема с той же мощностью передатчика в диапазоне 38 ГГц обеспечит протяженность не более чем 5-7 км. Одно из названий наземных систем связи, работающих в диапазонах 5-100 ГГц, - микроволновая связь. К ним относятся радиорелейные линии и сети связи прямой видимости, системы распределения информации и некоторые сотовые структуры. Современная аппаратура для радиорелейных линий и сетей связи прямой видимости выпускается на диапазоны 2, 4, 6, 8, 11, 13, 15, 17, 23, 27, 38 ГГц и выше.

Последние десятилетия в сфере сверхширокополосных систем связи наблюдается процесс замещения электронных систем на фотонные. Связано это с иной физической природой фотона. Отсутствие заряда и массы наделяет его уникальными свойствами. Фотонные системы связи не подвержены внешним электромагнитным полям, обладают гораздо большей дальностью передачи и шириной полосы пропускания. Эти и другие преимущества, уже реализованные на базе фотоники в сфере телекоммуникаций, дают право говорить о возникновении нового направления - радиофотоники, появившейся из слияния радиоэлектроники, интегральной и волновой оптики, сверхвысокочастотной (СВЧ) оптоэлектроники и ряда других отраслей.

Технологии телекоммуникаций - это принципы организации современных аналоговых и цифровых систем и сетей связи, включая компьютерные сети и Интернет. Если для построения локальных и корпоративных сетей могут быть использованы только проводные каналы связи, в том числе и высокоскоростные волоконно-оптические линии связи, или беспроводные, например использующие технологии радио Ethernet (от англ, ether - эфир: пакетная технология передачи данных преимущественно локальных компьютерных сетей), то создание глобальных сетей уже невозможно без широкой интеграции как проводных, так и беспроводных каналов, включая спутниковые каналы и сети связи.

Хранение информации - фиксация параметров носителя информации. Для передачи или хранения нужной информации используют различные знаки - символы, позволяющие представить ее в некоторой форме.

Первой серьезной работой по теории передачи информации считают статью американского связиста Ральфа Хартли «Передача информации» (1928). Р. Хартли сделал открытие, состоящее в том, что информация допускает количественную оценку. Он предложил количество информации, передаваемое по каналу связи относительно двух равновероятных исходов и снимающее неопределенность, оценивать путем принятия одного из них за единицу информации, потом получившую название бит. Однако логарифмическая формула Хартли позволяла определять количество информации только для случая, когда появление символов равновероятно и они статистически независимы. Но эти условия выполняются чрезвычайно редко.

Немаловажное значение для теории передачи дискретной информации (по телеграфным линиям) имела работа Гарри Найквиста «Некоторые факторы, воздействующие на скорость телеграфирования» (1924). Но наиболее значимым шагом в становлении теории передачи информации явились уже упоминавшиеся ранее фундаментальные работы Клода Шеннона, развившие идеи Хартли. К. Шеннон впервые стал исследовать статистическую структуру передаваемых сообщений и действующих в канале связи шумов и, кроме того, анализировал не только конечные, но и непрерывные множества передаваемых сообщений. Шеннон рассматривал информацию как сообщение об исходе случайных событий, о реализации случайных сигналов. Поэтому количество информации ставилось им в зависимость от вероятности наступления этих событий: если сообщение несет сведения о часто встречающихся событиях, вероятность появления которых стремится к единице, то такое сообщение малоинформативно. К. Шеннон ввел понятие «энтропия источника сообщений» как метрику измерения объема информации. Теория информации Шеннона позволяла ставить и решать задачи об оптимальном кодировании (и модуляции) передаваемых сигналов с целью повышения пропускной способности (емкости) каналов связи, подсказывала пути борьбы с помехами на линиях связи и т.д. Введение Шенноном способа измерения количества информации привело к формированию самостоятельного научного направления в электросвязи - теории информации.

Параллельно на основе работ В. А. Котельникова развивалось другое научное направление - теория потенциальной помехоустойчивости. В. А. Котельниковым в 1946 и 1956 гг. были опубликованы работы по оптимальным методам приема информации и потенциальной помехоустойчивости. Теория потенциальной помехоустойчивости определяет предельные возможности приема сигналов при наличии шумов. Использование результатов работ В. А. Котельникова дало возможность судить о том, насколько конкретная система передачи информации близка к идеальной по своей структуре и способности выделять сигнал из смеси его с помехами и шумами. Главная задача теории помехоустойчивости - отыскание таких способов передачи и приема информации, при которых обеспечивается наивысшая достоверность принятого сообщения.

Сигнал (от лат. signum - знак) - физический процесс, несущий информацию о состоянии какого-либо объекта наблюдения. Сигнал - материальный носитель информации, обладающий переменными параметрами. Но существу значения параметров несущего сигнала отражают передаваемое сообщение. Сигнал переносит информацию в пространстве и во времени, и это представляет собой материально-энергетическую форму информации.

По своей природе сигналы бывают электрическими, электромагнитными, оптическими, акустическими и др. В системах связи в основном используют электрические и оптические сигналы. Физической величиной, характеризующей электрический сигнал, является напряжение, несколько реже - сила тока (иногда мощность). Для сигнала возможен и ряд других определяющих физических величин, например зависимость давления воздуха в точке от времени можно характеризовать как звуковой сигнал, зависимость яркости от положения точки на плоскости можно рассматривать как черно-белое изображение.

В системах оптической обработки информации сигналом может являться зависимость интенсивности света от пространственных координат изображения. При временном подходе аналитическим описанием конкретного сигнала может быть некоторая функция времени u(t). Определив каким- либо образом эту функцию, можно определить и сигнал. Однако на практике полное описание сигнала не всегда требуется. Часто достаточно более общего описания в виде нескольких параметров сигнала, характеризующих его основные свойства. В книге далее везде подразумевается (если иное не оговорено специально), что электрический сигнал u(t) представляет собой зависимость напряжения от времени.

Сигналы, отражающие информацию, могут воздействовать на преобразователи и усилители сигналов. Преобразователи сигналов делятся на два класса. На преобразователи одного класса воздействует физический процесс одной природы (например, звуковой сигнал), а на выходе получается сигнал другой природы (в частности, электрический сигнал на выходе микрофона, телекамеры и пр.). В преобразователях (и усилителях) другого класса осуществляется преобразование (и усиление) электрических сигналов без изменений их физической природы.

Передаваемые (часто используется характеристика «полезные») сигналы формируют путем изменения тех или иных параметров физического носителя в соответствии с передаваемым сообщением. Этот процесс изменения параметров носителя сообщений в радиотехнике и связи называют модуляцией.

Следует ввести параметры передаваемого сигнала, которые являются основными с точки зрения его передачи. Такими параметрами являются длительность сигнала Т с, его ширина спектра F c и динамический диапазон D c .

Практически каждый электрический сигнал, рассматриваемый как временной процесс, имеет начало и конец. Поэтому длительность сигнала Г с является естественным его параметром, определяющим интервал времени, в пределах которого данный сигнал существует.

Для оценки условий прохождения сигнала по каналу связи необходимо знать важнейшую характеристику - ширину спектра. Ширина спектра передаваемого сигнала F c дает представление о скорости изменения этого сигнала внутри интервала его существования. Спектр передаваемого сигнала в принципе может быть неограниченным. Однако для любого сигнала можно указать диапазон частот, в пределах которого сосредоточена его основная (до 90%) энергия.

Практически все электрические сигналы, отображающие реальные сообщения, содержат бесконечный спектр частот. Для неискаженной передачи таких сигналов потребовался бы канал с бесконечной полосой пропускания. В то же время потеря на приеме хотя бы одной составляющей спектра приводит к искажению сигнала. Поэтому ставится задача передавать сигнал в ограниченной полосе пропускания канала таким образом, чтобы искажения сигнала удовлетворяли требованиям и качеству информации. Таким образом, исходя из технико-экономических соображений требований передачи, можно сказать, что полоса частот - ограниченный участок частот. Ширина полосы частот AF определяется разностью между верхней F n и нижней F tI частотами в спектре сообщения.

В теории связи реальную ширину спектра передаваемого сигнала часто сознательно сужают (при этом сужают ширину спектра исходя из допустимых искажений сигнала). Это связано с тем, что радиоаппаратура и линии связи имеют ограниченную полосу пропускаемых частот.

При радиотелефонной связи элементы речи (звуки, слоги, слова и т.д.) произносятся фактически слитно и не имеют четких границ. Сигналы телефонирования представляют собой последовательности речевых импульсов, отделенных друг от друга паузами. Импульсы соответствуют звукам речи, произносимым слитно, и весьма разнообразны по форме и амплитуде (амплитуда сигнала представляет собой модуль наибольшего его отклонения от нуля).

Длительности отдельных речевых импульсов также отличаются друг от друга, но обычно они близки к 100-150 мс. Паузы между импульсами изменяются в значительно большем диапазоне: от нескольких миллисекунд (межслоговые паузы) до нескольких минут и даже десятков минут - паузы при выслушивании ответа собеседника. Частотный спектр речевого сигнала очень широк (рис. 1.3), однако экспериментально установлено, что для передачи речи с достаточно высоким качеством (узнаваемостью голоса абонента, воспроизведением тембра, удовлетворительной натуральностью и разборчивостью слогов (90%) и фраз (99%)) можно ограничиться полосой частот 300-3400 Гц. Кстати, для унификации многоканальных систем связи за основной, или стандартный, канал принимают канал тональной частоты (канал ТЧ), обеспечивающий передачу сообщений с эффективно передаваемой полосой частот, соответствующей основному спектру телефонного сигнала.

Рис. 1.3.

Источниками звука при передаче программ вещания являются музыкальные инструменты или голос человека. Спектр звукового сигнала занимает полосу частот 20-20 000 Гц. Частота импульсов основного тона лежит в пределах от 50-80 (бас) до 200-250 Гц (женский и детский голоса).

В системах радиовещания для высококачественной передачи музыки требуется полоса частот 30-20 000 Гц. Это связано с тем, что звуковых колебаний с более высокими частотами человек практически не слышит. Причем передача такого широкого спектра частот без взаимных помех большого числа радиостанций в диапазонах километровых, гектометровых и декаметровых волн технически весьма затруднительна. Поэтому при радиовещании на этих волнах ограничиваются передачей спектральных составляющих в полосе частот 50-4500 Гц. На метровых и дециметровых волнах (в частности, звуковое сопровождение телевизионного изображения) передача осуществляется в более широком спектре (30-10 000 Гц), в результате чего достигается более высокое качество передачи музыки. Точно так же необходимая ширина спектра телевизионного сигнала определяется требуемой четкостью передаваемого изображения. Для достаточно высокого качества полоса частот AF должна составлять 50-10 000 Гц, для безукоризненного воспроизводства программ вещания (каналы высшего класса) - 30-15 000 Гц.

В телевидении для качественного воспроизведения изображения необходимо разложить его на большое число элементов и передать информацию о яркости каждого элемента. Кроме того, для слитного восприятия глазом движущегося изображения частота смены кадров на экране должна быть достаточно высокой.

Телеграфные сигналы и передача данных. Сообщения и сигналы телеграфии и передачи данных относятся к дискретным. Устройства преобразования телеграфных сообщений и данных представляют каждый знак сообщения (букву, цифру) в виде определенной комбинации импульсов и пауз одинаковой длительности. Импульс соответствует наличию тока на выходе устройства преобразования, пауза - отсутствию тока.

Телеграфный сигнал представляется колебанием с дискретной модуляцией. Сигналы телеграфии и передачи данных обычно имеют вид последовательностей прямоугольных импульсов. Чем меньше длительность импульсов, отображающих сообщения, тем больше их будет передано в единицу времени.

Ширина спектра телеграфного сигнала зависит от скорости его передачи (и от длительности самих импульсных посылок Т = т и, с) и обычно принимается равной F- 1,5а, где v - скорость телеграфирования , или скорость модуляции (часто - скорость передачи импульсных посылок, или техническая скорость) в бодах {baud). Один бод (введен в телеграфию Ж. Бодо) - скорость, при которой за 1 с передается одна посылка. Итак, при длительности импульса т и = 1 с скорость передачи v = 1 бод. В телеграфии используют импульсы длительностью т н = 0,02 с, что соответствует стандартной скорости телеграфирования 50 бод, т.е. v =1/т н. Тогда при телетайпной передаче сообщений и скорости передачи v = 50 бод ширина спектра телеграфного сигнала F~ 75 Гц. Если длительность посылки т и выражена в секундах, то техническая скорость (скорость модуляции) есть величина, обратная длительности посылки, - v = 1 /Т= 1/т и [бод]. Ограничение скорости модуляции (скорости телеграфирования) обусловлено техническими характеристиками реальной системы передачи информации.

По скорости передачи телеграфного сигнала системы передачи делят следующим образом:

• низкоскоростные (НС) - до 200 бод;
• среднескоростные (СС) - 600-1200 бод;
• высокоскоростные (ВС) - 2400-96 000 бод.

Частота следования двоичных (binary ) посылок (т.е. «1» и «0») называется тактовой частотой F r Численно F r соответствует скорости передачи информации в бодах.

При передаче двоичных сигналов достаточно зафиксировать либо наличие или отсутствие импульса (при однополярном сигнале), либо знак импульса (при двуполярном сигнале). Импульсы в приемнике можно уверенно зафиксировать, если для их передачи используется ширина полосы, численно равная скорости передачи в бодах. Для стандартной скорости телеграфирования 50 бод ширина спектра телеграфного сигнала составит 50 Гц. При скорости 2400 бод ширина спектра сигнала равна 2400 Гц.

При передаче сообщения комбинацией символов «1» и «0», т.е. двоичным кодом, элементарную посылку (двоичный символ, двоичную цифру «1» или «0») называют битом (от англ, binary digit - «bit» - двоичная единица). Итак, бит - один двоичный разряд - символ, принимающий лишь одно из двух значений: «1» или «0» (следует иметь в виду, что слово «бит» в теории информации имеет два различных значения: одно используется в качестве синонима двоичного символа, а второе обозначает единицу количества информации, необходимого для различения двух равновероятных сообщений (например «орел» - «решка» и т.д.)). Так, представление символов в виде комбинации 101 есть 3-битовое число. При этом количество передаваемой за секунду информации (символьная скорость) измеряется в битах в секунду (бит/с = bps).

Для избежания неясности (см. далее) заметим, что при синхронной передаче цифровых данных обозначение «бит/с» аналогично обозначению «бод», т.е. скорость 1 бит/с = 1 бод, поэтому при совпадении технической скорости системы с требуемой символьной скоростью передачи информации скорость можно определять как в битах в секунду, так и в бодах.

Первое опубликованное представление (1670) двоичной системы счисления (система счисления - правило записи чисел с помощью заданного набора цифр) принадлежит испанскому священнику Хуану Карамюэлю Лобко- вицу. Всеобщее же внимание к этой системе привлекла статья Г. Лейбница (1703), в которой пояснялись двоичные операции сложения, вычитания, умножения и деления. В двоичной системе (основание R = 2) целое число представляют как сумму степеней числа 2 с соответствующими коэффициентами 0 или 1. Работа большинства компьютеров основана именно на этой системе чисел. С помощью двоичной системы кодирования можно зафиксировать любые данные. Это легко понять, если вспомнить принцип кодирования и передачи информации с помощью азбуки (кода) Морзе.

Восемь бит называется байтом (от англ, byte - часть). При использовании двоичного представления кодовая комбинация может выражать целое число, равное уровню непрерывного сигнала в момент его дискретного отсчета. Байт служит в качестве единицы представления информации: букв, слогов и специальных символов (занимающих обычно все 8 бит) или десятичных цифр (по две цифры в 1 байте). С помощью 1 байта можно получить 256 разных двоичных кодовых комбинаций и отобразить с их помощью 256 различных символов. Кодирование заключается в том, что каждому символу ставится в соответствие уникальный десятичный код от О до 255 или соответствующий ему двоичный код от 00000000 до 11111111.

Обычно спектр модулированного сигнала шире спектра сигнала, отражающего передаваемое сообщение, и зависит от вида модуляции. Поэтому в теории сигналов и связи используют такой параметр, как база сигнала :

В теории информации вводят более общую характеристику - объем сигнала :

Чем выше частота сигналов, тем большего объема и с более высокой скоростью можно передавать сообщения. Объем сигнала дает представление о возможностях данного множества сигналов как переносчиков сообщений. Однако чем больше объем сигнала, тем больше информации можно «заложить» в него и тем труднее передать такой сигнал с требуемым качеством.

Динамический диапазон D c - отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала (мгновенная мощность сигнала равна квадрату его напряжения, T.e.p(t)= u)) к наименьшей мгновенной мощности. Обычно его удобнее выражать в децибелах. При сравнении мощностей Р 2 и Р,

Примечание. В последнее время специалисты по системам связи находят весьма удобным измерять уровень мощности непрерывных сигналов по отношению к некоторому заданному значению абсолютной мощности. В этом случае говорят об уровне абсолютной мощности в ваттах, используя в то же время преимущества логарифмического масштаба. Обычно используется опорный уровень в 1 мВт. Например, если Р { представляет собой опорный уровень мощности в 1 мВт, то абсолютная мощность

Единица измерения дБм в последней формуле читается как «децибел относительно одного милливатта». Значит, если для непрерывного сигнала известно, что его мощность равна 3 дБм, то абсолютная мощность этого сигнала в два раза превышает 1 мВт, или равна 2 мВт. Аналогично сигнал уровня-10 дБм имеет абсолютную мощность 0,1 мВт.

При сравнении напряжений (иногда токов) U 2 и f/,

Динамический диапазон речи теледиктора составляет 25-35 дБ, художественного чтения - до 50 дБ, музыкальных и хоровых ансамблей - до 55 дБ; симфонического оркестра - 65-90 дБ. Во избежание перегрузок передающего канала в вещании динамический диапазон часто сокращают до 35-45 дБ.

При проектировании и создании систем передачи информации обычно оказывается, что спектр передаваемого сигнала сосредоточен не на тех частотах, которые эффективно пропускает имеющийся канал связи. Часто необходимо в одном канале передавать несколько независимых сигналов одновременно.

Для передачи информации на большие расстояния используют электромагнитные волны. При этом передачу можно осуществлять по медным проводам, оптоволоконному кабелю или непосредственно, но схеме передатчик-приемник. В последнем случае используются антенны. Для того чтобы антенна эффективно излучала электромагнитную энергию, ее размеры должны быть сравнимы с длиной передаваемой волны. Однако электрические сигналы, отражающие передаваемые сообщения, как правило, маломощны и низкочастотны. А из курса физики известно, что электрические сигналы с низкими частотами не могут эффективно излучаться в свободное пространство. Передавать их непосредственно можно только по проводным или кабельным линиям (телефонная, телеграфная связь и т.д.).

Передачу электромагнитного колебания на какое-либо расстояние выполняют с помощью антенн, размер которых зависит от длины волны X. Для мобильных телефонов размер антенны обычно равен (реально существенно меньше) Х/А, а длина волны X = с/f, где с = 3 10 8 м/с - скорость света в свободном пространстве; / - циклическая частота, Гц (герц - частота, при которой происходит одно колебание в секунду). Для частоты, определяемой в килогерцах, мегагерцах, гигагерцах, соответственно получают следующие соотношения: / [кГц] = 300/А. [км]; / [МГц] = 300/А, [м]; / [ГГц] = -ЗОЛ [см].

Рассмотрим почти гипотетическую передачу низкочастотного сигнала (например, со средней частотой /= 1500 Гц), поступающего в антенну. Какая антенна будет нужна для мобильного телефона при его размерах / = А./4? Получаем, что для сигнала с заданной частотой 1500 Гц длина антенны / = = Х/А = c/(Af) = 3-10 8 /(4 -1500) м = 50 000 м = 50 км. Итак, для передачи сигнала с частотой 1500 Гц без несущей частоты требуется антенна размером 50 км. При этом если низкочастотный сигнал передается с помощью несущей частоты, например 1500 МГц, размер антенны составит порядка 5 см.

Человек воспринимает акустические колебания в диапазоне 20-12 000 Гц, и для передачи звука требуется именно этот диапазон частот. Динамический диапазон частот (отношение максимальной частоты к минимальной) в этом случае равен 600, а для высококачественного воспроизведения звука он в два раза шире. При решении проблемы передачи низкочастотного сигнала используют преобразование частот и различные методы модуляции, что позволяет сделать компактную антенну. Перечисленные причины приводят к необходимости такой трансформации исходного сигнала, чтобы требования, предъявляемые к занимаемой им полосе частот, были выполнены, а сам сигнал можно было с достаточной верностью восстановить в приемнике. Чтобы уменьшить воздействие помех, следует представить сигнал в помехоустойчивой форме, подвергнув его дополнительным преобразованиям. Такими преобразованиями являются модуляция и кодирование.

Суть процесса модуляции (от англ, modulation, лат. modulatio - размеренность) сигнала заключается в следующем. Для передачи информации формируют электрические сигналы (переносчики сообщений), которыми обычно являются хорошо излучающиеся и распространяющиеся (с достаточно низким коэффициентом затухания) в свободном пространстве мощные высокочастотные гармонические электромагнитные колебания - несущие колебания {частоты), или просто несущие {earner). Очень важно помнить, что несущие колебания не содержат информации, а являются только ее переносчиками. Передаваемая по каналам связи информация путем модуляции «закладывается» в один или ряд параметров несущего колебания. Они изменяются по законам передаваемого сообщения. Исходный сигнал называют модулирующим, а результирующее колебание с изменяющимися во времени параметрами - модулированным сигналом {modulated signal). Обратный процесс - выделение модулирующего сигнала из модулированного колебания - называется демодуляцией или детектированием {detection) радиосигнала.

При кодировании сообщения происходит процесс преобразования его элементов в соответствующие числа {кодовые символы). Каждому элементу сообщения присваивается определенная совокупность символов, которая называется кодовой комбинацией. Совокупность кодовых комбинаций, отображающих дискретные сообщения, образует код. Правило кодирования может быть выражено кодовой таблицей, в которой приводятся алфавит кодируемых сообщений и соответствующие им кодовые комбинации. Множество возможных кодовых символов называется кодовым алфавитом, а их количество т - основанием кода.

При основании кода т правила кодирования К элементов сообщения сводятся к правилам записи К различных чисел в т-ичной системе счисления. Число разрядов п, образующих кодовую комбинацию, называют разрядностью кода или длиной кодовой комбинации. В зависимости от системы счисления, используемой при кодировании, различают двоичные и п-ичные (недвоичные) коды.