Лекция №2. Этапы передачи информации

Этапы передачи информации. Информация пересылается из одного места в другое (от отправителя - получателю). Передача осуществляется по каналам различной физической природы, самыми распространенными из которых являются электрические, электромагнитные, оптические и др.

Этапы обработки информации. Преобразование, проводимое по законам логики, математики и др. Результат обработки – тоже информация, но представленная в иных формах, (например, после проведения каких-то арифметических или логических операций).

Этап хранения информации. Информацию записывают в запоминающее устройство для последующего использования.

Этап отображения информации. Цель этапа - предоставить человеку нужную ему информацию с помощью устройств, способных воздействовать на его органы чувств.

Модели процессов сбора, передачи, обработки и накопления данных в ИС.

Восприятие информации - процесс преобразования сведений, поступающих в техническую систему или живой организм из внешнего мира, в форму, пригодную для использования.

Современные информационные системы, создаваемые, как правило, на базе ЭВМ, в качестве своей составной части имеют более или менее развитую систему восприятия. Система восприятия информации представлять собой довольно сложный комплекс программных и технических средств. В зависимости от анализаторов (входящих в комплекс технических средств системы восприятия) организуется восприятие зрительной, акустической и других видов информации. Кроме того, различают статическое и динамическое восприятие. К динамическому восприятию относятся системы, функционирующие в том же темпе, в каком происходят изменения в окружающей среде.

С точки зрения ИС в целом, система восприятия осуществляет первичную обработку собираемой из вне информации. В свою очередь, для системы восприятия первичную обработку информации производит система сбора информации. Нередко на практике встречаются ИС, в которых система восприятия отсутствует. => Системой восприятия служит система сбора информации.

Сбор информации.

Современные системы сбора информации могут представлять собой сложные программно-аппаратные комплексы, которые должны не только обеспечивать кодирование информации и ее ввод в ЭВМ, но и выполнять предварительную (первичную) обработку этой информации.

Сбор информации – это процесс получения информации из внешнего мира и приведение ее к виду, стандартному для данной информационной системы.

Обмен информацией между воспринимающей информацию системой и окружающей средой осуществляется посредством сигналов. Сигнал (от латинского signum - знак) – физический процесс (явление), несущий сообщение (информацию) о событии или состоянии объекта наблюдения. Еще сигнал можно определить как средство перенесения информации в пространстве и времени. В качестве носителя сигнала могут выступать звук, свет, электрический ток, магнитное поле.

----------- М111 начать 12.12.12

Типовой процесс обработки сигнала может быть охарактеризован следующими этапами:

- на первом этапе исходный (первичный) сигнал с помощью специального устройства (датчика) преобразуется в эквивалентный ему электрический сигнал (электрический ток);

- на этапе шаге вторичный (электрический) сигнал оцифровывается специальным устройством аналого-цифровым преобразователем (АЦП), которое значению электрического сигнала ставит в соответствие некоторое число из конечного множества таких чисел.

Т.о., датчик и АЦП, составляют единый цифровой измерительный прибор. Сбор информации, как правило, сопровождается ее регистрацией, т.е. фиксацией информации на бумажном носителе (документ) или машинном носителе. Если прибор (с датчиком и АЦП) оснастить некоторым устройством для хранения измеренной величины – некоторым регистром, то это число можно ввести в ЭВМ и подвергать затем любой необходимой обработке - этот ввод числа в машину – третий этап.

Замечание. Не все технические средства сбора информации работают по описанной схеме. Например, клавиатура. Здесь первичный сигнал – нажатие клавиши – непосредственно преобразуется в соответствующий цифровой код - двоичное число, сразу. Устройство АЦП – отсутствует.

Современные системы сбора информации (например, в составе АСУ) могут включать в себя большое количество цифровых измерительных приборов и всевозможных устройств ввода информации (от человека к ЭВМ, от ЭВМ к ЭВМ и т.п.). Такое комплексирование средств приводит к необходимости управления процессом сбора информации и к разработке соответствующего программного обеспечения (в т.ч. аппаратного обеспечения).

Совокупность технических средств ввода информации в ЭВМ, программ, управляющих всем комплексом технических средств, и программ, обеспечивающих ввод информации с отдельных устройств ввода (драйверов устройств), – вот что представляет собой современная развитая система сбора информации.

Информация в ИС разнообразна по содержанию и виду - научная, производственная, управленческая, медицинская, экономическая и др. Поэтому каждый вид информации имеет:

- свои особенные технологии обработки;

- смысловую ценность;

- формы представления и отображения на физическом носителе;

- требования к точности и достоверности;

- требования к оперативности отражения фактов, явлений, процессов.

Информация, представленная в формализованном виде, называется – данные.

Информация может находиться в статистическом или динамическом состоянии.

Статистическое состояние информации связано с ее более или менее длительным организованным хранением, накоплением в БД.

Динамическое состояние – постоянное движение в виде потоков.

Передача информации.

Структурная схема системы передачи информации.

Сообщение Сигнал Сигнал+помеха Сообщение

ИИ

S (t) u (t)

где ИИ – источник информации; ПрС – преобразователь сообщения; КУ – кодирующее устройство; М – манипулятор; ЛК – линейный каскад; ДМ – демодулятор; ДКУ – декодирующее устройство; ДС – детектор сигнала; ПИ – получатель информации.

Передающее устройство обеспечивает преобразование сообщения в сигнал, передаваемый по линии связи, в то время как приемное устройство преобразует приятный сигнал, обратно в передаваемое сообщение. В современных цифровых системах связи основные функции передатчика и приемника выполняет устройство, называемое модемом.

Линия связи – это среда, использующая для передачи сигналов от передатчика к приемнику. Такой средой могут быть кабель, волновод или область пространства, в которых распространяются ЭМ волны от передатчика к приемнику.

Система передачи информации – совокупность технических средств (передатчик, приемник, линия связи), обеспечивающих возможность передачи сообщений от источника к получателю.

1. Источник сообщений включает в себя ИИ и ПрС. ПрС может выполнять две функции: - преобразование сообщения любой физической природы (изображение, звуковые сигналы) в первичный электрический сигнал S(t); - преобразование большого объема алфавита сообщений в малый объем алфавита первичного сигнала. (Например, 32 буквы русского алфавита передаются посредством двух символов алфавита первичного сигнала: «0» и «1») – (может не выполняться).
2. Передающее устройство осуществляется приобретением сообщения в сигналы, удобные для прохождения по конкретной линии связи. В состав передающего устройства входит: - кодирование устройств (КУ) и – модулятор (М).

КУ обеспечивает помеха устойчивое кодирование, сущность которого состоит в том, что в кодовую комбинацию первичного сигнала по определенному правилу вводятся дополнительные, избыточные символы, которые не несут информации о передаваемом сообщении, но позволяют на приемной стороне обнаруживать и исправлять искаженные помехами символы первичного сигнала, увеличивает достоверность передачи информации.

Первичный электрический сигнал, как правило, непосредственно не передается по линии связи. В передающем устройстве первичный сигнал S (t) преобразуется во вторичный (высококачественный) сигнал u (t), пригодный для передачи по линии связи. Такое преобразование осуществляется посредством модулятора (М). Например, изменяет один из параметров высокочастотного колебания в соответствии с изменением первичного сигнала S (t) – (амплитуда, частота и фаза).

Замечание. Сообщения и сигналы. В широком смысле слова сигнал – это материальный носитель информации. В современных системах передачи информации используются электрические сигналы. Физической величиной, определяющей такой сигнал, является ток или напряжение. Как лучше передавать электрические сигналы? По физическим законам излучение ЭМ волн эффективно, если размеры излучателя соизмеримы с длинной излучаемой волны. Поэтому передача сигналов по радиоканалам, кабелям, микроволновым линиям производится на высоких частотах (т.е. на коротких волнах)_.

- модулированный по амплитуде первичный сигнал S (t),

где U₀ – начальная амплитуда, ω – частота изменения сигнала, φ₀ – начальная фаза.

В процессе передачи сигнала по линии связи (3) он искажается помехой и на входе приемника отличается по форме от переданного.

Совокупность средств, предназначенных для передачи сообщений, называется каналом связи. Для передачи информации от группы источников, сосредоточенных в одном пункте, к группе получателей, расположенных в другом пути, часто целесообразно использовать только одну линию связи, организовав на ней требуемое число каналов. Такие системы называются многоканальными. 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 ограничения, называется емкостью канала. Обозначается через C и имеет размерность [ C ]=бит/с. В общем случае емкость канала можно определить по формуле: С = I / T, где I – количество информации, переданной за время Т.

К основным характеристикам каналов связи относятся:

- АЧХ (амплитудно-частотная характеристика);

- 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 синусоида 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 рассматриваемый сигнал передается по линии связи без значительных искажений. Ширина полосы пропускания влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи.

Затухание – относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по линии связи сигнала определенной части. Затухание L обычно измеряется в децибелах (дБ) и вычисляется по формуле: L =10Log(Pвых / Рвх), где Pвых и Рвх – мощности сигнала на выходе и на входе линии соответственно.

Пропускная способность линии характеризует max-но 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).

Достоверность передачи данных характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных. Показателем достоверности является вероятность ошибочного приема информационного символа – Рош.

Как известно, искажения в каналах связи происходят как из-за наличия помех на линии, так из-за искажений формы сигнала ограниченной полосой пропускания линии. Поэтому для повышения достоверности передаваемых данных необходимы более широкополосные линии связи.

Составной частью любого канала является линия связи – физическая среда, обеспечивающая поступление сигналов от передающего устройства к приемному. Рассмотрим эти линии связи в рамках помехоустойчивости или помехозащищенности.

В зависимости от среды передачи данных линии связи могут быть:

- проводные;

- кабельные (медные и волоконно-оптические);

- радикалы надземной 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.

Кабельные линии связи представляют собой пучок проводов, заключенных в одну или несколько защитных (электрическая, механическая) трубок.

В современных системах связи применяют три основных типа кабеля:

- на основе скрученных пар медных проводов;

- коаксиальные кабели с медной жилой;

- волоконно-оптические кабели.

Скрученная пара проводов называется витой парой. Скручивание проводов снижает влияние внешних помех на сигналы, передаваемые по кабелю. Витая пара конструктивно может быть неэкранированная (а) и экранированная (б).

(б)

(а)

В случае экранированной витой пары каждая из витых пар помещается в металлическую оплетку - экран для уменьшения излучений кабеля защиты от внешних ЭМ помех и снижения взаимного влияния пар проводов друг на друга. Этот тип витой пары дороже и при ее использовании необходимо применять специальные экранированные разъемы. На практике встречается реже, чем не экранированная.

Не экранированная витая пара имеет следующие достоинства: - простота монтажа разъемов на концах кабеля; -простота ремонта любых повреждений. Недостатки: - затухание сигнала существенно больше, чем у коаксиальных (линия связи – не более 100 м); - скорость передачи информации до 100 Мбит/с (ведутся работы по повышению скорости до 1000 Мбит/с).

Различают 7 категорий кабелей на основе неэкранированной витой пары в зависимости от полосы пропускания и количества витков на метр длины.

Еще один важный параметр любого кабеля – скорость распространения сигнала в кабеле, т.е. задержка распространения сигнала в кабеле на единицу длинны.

Типичная величина задержки большинства современных кабелей составляет от 5 нс/м до с.

Коаксиальный кабель. Состоит из внутренней медной жилы (проводник) и внешнего экрана (оболочка и изолятор). Обладает:

- более высокой помехозащищенностью;

- более высокими, чем у витой пары, допустимыми скоростями передачи данных (до 500 Мбит/с);

- большими допустимыми расстояниями передачи (до км и выше);

- к нему труднее механически подключиться для несанкционированного прослушивания сети;

- дает заметно меньше ЭМ излучений во внешнюю среду.

Существует 2 основных типа коаксиального кабеля:

- тонкий (d около 0,5 см – более гибкий) – дает задержку сигнала 5 нс/м;

- толстый (d около1 см – более жесткий) – дает задержку сигнала 4.5 нс/м.

В настоящее время считается, что коаксиальный кабель устарел. В большинстве случаев его вполне может заметить витая пара или оптоволоконный кабель.

Волоконно-оптический кабель.

Состоит из центрального проводника света - стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла – оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине лучи света, отражаясь от оболочки, не выходят из центрального проводника.

В зависимости от распространения показателя преломления и от величины диаметра сердечника различают:

- многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления;

- многомодовое волокно с плавным изменением показателей преломления;

- одномодовое волокно (d центрального проводника – 5 - 10 мкм, соизмеримо с длиной волны l).

В многомодовых кабелях – диаметр центрального проводника 62,5 мкм и 50 мкм.

Понятие «мода» описывает режим распространения световых лучей во внутреннем сердечнике кабеля.

В качестве источников света по волно-оптическому кабелю применяются лазеры.

Предельные расстояния для передачи данных по волно-оптическим линиям связи зависят от длинны волны излучения и достигают десятки км.

Беспроводные линии связи.

В беспроводных линиях связи передача информации осуществляется на основе распространении ЭМ волн (радиоволн). Наиболее освоенный диапазон находится в пределах от 10 до м.

Радиоволны, представляющие собой ЭМ колебания, являются совокупностью переменных электрического и магнитного полей и характеризуется напряженностью электрического Е и магнитного Н полей.

Радиоволнам присущи следующие физические свойства:

- преломление и отражение волны на границе перехода из одной среды в другую

- рефракция (исправление траектории распределения) при распространении в неоднородной среде

- дифракция – огибание волной препятствия, когда λ соизмерима с размерами препятствия.

По особенностям распространения в различных физических средах спектр радиоволн делят на отдельные диапазоны (от мм до мириаметрового 100-10 км).

Существенное влияние на распределение радиоволн оказывает земная поверхность и атмосфера Земли.

- Волны длинной 200-400м и более распространяются вдоль поверхности Земли – земные радиоволны.

- Волны с λ 5м и менее называются тропосферами.

Тропосфера- приземная область атмосферы толщиной 10-15 км.

- Волны с λ более 5м до 100м – ионосферы.

Наиболее распространенный УКВ диапазон радиоволн – короче 10м. Метровый диапазон – до 1м используется телевидении и вещании Дм и см – в ТV, радиолокации и многоканальной связи.

Для организации связи на линии Земля – космос используют волны от3м до 3м. волны этого диапазона практически не поглощаются в атмосфере, они так же не отражаются ионосферой.

Приемное устройство (4) обрабатывает принимаемый сигнал и восстанавливает по нему переданное сообщение. Принимаемый полезный ВЧ-сигнал фильтруется и усиливается линейными каскадами (ЛК) и поступает на демодулятор (ДМ), в котором ВЧ-сигнал преобразуется в низкочастотный первичный сигнал. В декодирующем устройстве (ДКУ) НЧ-сигнал преобразуется в кодовую комбинацию символов первичного сигнала. Одновременно в ДКУ осуществляется обнаружение и исправление искаженных символов первичного сигнала (при использовании на передающей стороне помехоустойчивого кодирования).

На первый взгляд может показаться, что демодуляция и декодирование – это операции, обратные модуляции и кодированию. На самом деле это не так. В результате различных искажений и воздействия помех пришедший сигнал может существенно отличаться от переданного. Задачей приемного устройства является решение о том, какое сообщение действительно передавалось источником. Для принятия такого решения принятый сигнал подвергается анализу с учетом всех сведений об источнике, о применяемом помехоустойчивом коде и виде модуляции, а так же о свойстве помех.

Детектор сигнала (ДС) преобразует кодовую комбинацию символов первичного сигнала в соответствующее сообщение, которое поступает на вход получателя информации (ПИ), которому была адресована исходная информация.

Если передача информации между передатчиком и приемником осуществляется одновременно в обе стороны, то такой режим называется дуплексным. При полудуплексном режиме в каждый момент времени информация передается только в одну сторону.