Роль сигналів у процесах пересилання інформації.

Нагадаємо, що під інформацією розуміють відомості про різноманітні процеси (фізичні, суспільні тощо), про характеристики та параметри досліджуваних об’єктів та ін., що їх використовують у практичної діяльності.

Одна і та сама інформація може бути подана в різних формах. Конкретну форму предання інформації називають повідомленням. Наприклад, повідомлення про прогноз погоди можна подавати у вигляді звукового сигналу, письмового тексту, графічного зображення тощо.

Для того, щоб повідомлення передати до адресата, треба використати певний матеріальний носій, здатний поширюватися у навколишньому середовищі й одночасно певним чином відтворювати повідомлення. Такий матеріальний носій повідомлення прийнято називати сигналом.

Як сигнали можуть бути використані електричні, механічні, звукові, ультразвукові, електромагнітні та світлові коливання. Найпоширенішим способом подання інформації є її перетворення в електричні сигнали. Це перетворення називають кодуванням повідомлення. Відзначимо, що одне і те саме повідомлення може бути закодоване різними способами, тобто подане у вигляді електричних сигналів, які істотно відрізняються один від одного, про що детальніше сказано далі.

Рис. В.1. Узагальнена структурна схема системи пересилання інформації

Коротко розглянемо структурну схему телекомунікаційної системи пересилення інформації та основні процеси, пов’язані пересиленням інформації та джерела до користувача, які знаходяться у різних місцях.

Незалежно від виду повідомлень, які несуть інформацію, кожна система складається із трьох основних частин: передавального пристрою (передавача), каналу зв’язку та приймального пристрою (приймача), що показано на рис. В.1.

Передавальний пристрій.

У передавальному пристрої здійснюються такі основні процеси:

- перетворення первинного повідомлення (мови, зображень нерухомих чи рухомих об’єктів тощо) у електричний інформаційний сигнал за допомогою відповідного перетворювача (мікрофона, передавальної телевізійної камери, факсимільного апарату, персонального комп’ютера тощо). Це перетворення називають кодуванням джерела повідомлень і здійснюють його в такий спосіб, щоб забезпечити максимальну швидкість пересилання інформації. Зокрема, у т. зв. цифрових системах здійснюють аналого – цифрове перетворення, яке дозволяє “стискувати” інформацію і подавати її у компактному вигляді;

– застосовують т. зв. завадостійке кодування сигналів з метою зменшення впливу шумів та різного типу завад (атмосферних, промислових), які присутні у каналі зв’язку. Цей процес полягає у тому, що до інформаційного сигналу додають певні допоміжні дані, які дозволяють контролювати і виявляти чи навіть коректувати інформаційний сигнал, якщо при проходженні через канал зв’язку інформація була спотворена. Процес завадостійкого кодування часто називають кодуванням каналу;

– перетворення закодованого інформаційного сигналу в такий спосіб, щоб забезпечити ефективне його проходження через канал зв’язку. Справа у тому, що кожний канал зв’язку характеризується смугою пропускання, тобто діапазоном частот електромагнітних коливань, які здатні проходити через канал з малими втратами. У багатьох випадках інформаційний сигнал займає такий діапазон частот, який не збігається зі смугою пропускання каналу зв’язку, що спричиняє повне звикання сигналу у каналі зв’язку. Тому в передавачі застосовують таке перетворення інформаційного сигналу, яке переносить його частотний вміст в такий діапазон частот, який відповідає смузі пропускання каналу зв’язку. Це перетворення називають модуляцією. Звичайно для цього генерують допоміжне гармонічне коливання (його називають несучим або носій ним коливанням), частота якого відповідає смузі пропускання каналу зв’язку, і змінюють один або декілька параметрів несучого коливання пропорційно до закодованого інформаційного сигналу. В такий спосіб можна переслати інформацію через канал зв’язку. Пристрій, у якому здійснюється процес модуляції, називають модулятором. Сигнал, який отримують в результаті модуляції, називають модульованим сигналом, а інформаційний сигнал – модулюючим.

Роль несучого коливання можуть виконувати високочастотні електромагнітні коливання радіодіапазону (якщо каналом зв’язку є вільний простір) або оптичне випромінювання (якщо каналом зв’язку є оптичне волокно, яке носить назву світловод) тощо.

Модулятор також виконує функцію уведення модульованого сигналу в канал зв’язку (наприклад, за допомогою відповідних антен чи спеціальних пристроїв введеннядо світло діодів тощо).

Рис. В.2. Структурна схема передавального пристрою

Отже, на підставі сказаного вище, можна подати деталізовану структурну схему передавального пристрою у вигляді, показаному на рис. В.2.

Крім названих основних функцій, передавальний пристрій формує допоміжні сигнали: синхронізуючі, комутуючі, сигнали сигналізації тощо.

Канали зв’язку.

Сучасні телекомунікаційні системи найчастіше використовують такі канали зв’язку:

- двопровідникові мідні лінії різних конструкцій: повітряні, ізольовані, двопровідникові скрутки екрановані неекрановані, концентричні кабелі. Ці лінії уможливлюють пересилання сигналів на порівняно невеликі віддалі (одиниці – десятки кілометрів) в діапазоні частот від нуля до сотень мегагерц (спеціальні скрутки та кабелі);

- світловодні кабелі, які здатні пропускати з невеликим заниканням електромагнітні коливання оптичного діапазону. Зокрема, відомі три т. зв. трансмісійні вікна світлодіодів в діапазоні хвиль 850 нм, 1300 нм та 1550 нм. Конструкція світловодів являє собою тонке (кварцове) волокно діаметром 5 – 100 мкм, яке покрите непрозорим плащем. Достоїнством світловодів є те, що вони створюють невелике замикання електромагнітних коливань у трансмісійних вікнах (долі дБ/км), не піддаються впливові зовнішніх електромагнітних завад та не створюють випромінювання енергії у навколишнє середовище. Ширина смуги смуги пропускання світловодів становить десятки Терагерц (~10¹³ Гц), що уможливлює одночасне пересилання великої кількості повідомлень від різних джерел через одне світловодне волокно. Світловодні лінії зв’язку використовують для пересилання оптичних сигналів на віддалі десятки – сотні кілометрів із застосуванням світловодних підсилювачів.

- безпровідниковві канали зв’язку (часто їх називають радіоканалами), що являють собою вільний простір, в якому поширюються електромагнітні коливання радіодіапазону (30 кГц – 30ГГц) та інфрачервоного діапазону (10³ ГГц - 10⁶ ГГц). Достоїнством таких каналів є те, що вони уможливлюють зв’язок між рухомими об’єктами (мобільний зв’язок), проте їх недолік полягає у тому, що вони піддаються впливові зовнішніх електромагнітних завад, і, крім того, умови проходження сигналів через ці канали значною мірою залежать від атмосферних явищ.

Виділяють чотири основні діапазони електромагнітних коливань [1]: радіохвилі, оптичне випромінювання (інфрачервоне, видиме, ультрафіолетове), рентгенівське та гамма-випромінювання (табл.. В.1.).

Діапазон	Довжина хвилі , м	Частота f, Гц
Радіодіапазон	104... 10-4	3 х 104 … 3 х 1012
Оптичний діапазон	10 -4 … 10-8	3 х 1012 … 3 х 1016
Рентгенівський діапазон	10-8 … 10-11	3 х 1016 … 3 х 1019
Гамма-дапазон	< 10-11	> 3 … 1019

Примітка: Довжина хвилі взаємопов’язана з частотою коливань f співвідношенням: де м/с – швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі.

Зауважимо, що зі зміщенням довжини хвиль дедалі більше проявляється квантовий характер електромагнітного випромінювання і менше – хвильові властивості. Тому при найменуванні діапазонів говорять, відповідно, про радіохвилі й оптичне, рентгенівське та гамма – випромінювання.

Вибір конкретного значення частоти (довжини хвилі), за допомогою якої здійснюється обмін інформацією, залежить від виду інформації, віддалі, на яку потрібно передати інформацію, умов поширення хвиль і наявності завад та шумів, які існують в каналі зв’язку у вибраному діапазоні, від допустимих малогабаритних показників передавальних і приймальних пристроїв (наприклад, антен), за допомогою яких здійснюється зв’язок.

Радіохвилі можуть поширюватись різними шляхами від передавального до приймального пункту залежно від діапазону частот (довжини хвилі). Так, довгі хвилі (30 – 100 кГц) мають властивість поширюватись вздовж поверхні Землі на тисячі кілометрів, можуть проникати у верхні шари морської води, що уможливлює здійснення зв’язку між підводними кораблями. Цей діапазон частот використовують для радіомовлення. Середні хвилі (100кГц – 3 МГц) можуть поширюватись на сотні кілометрів у просторі, обмеженому поверхнею Землі та нижнім шаром іоносфери, який знаходиться на висоті понад 60 км. При тому вони можуть багатократно відбиватись від поверхні Землі і від іоносфери. Цей діапазон частот використовують в основному для радіомовлення. Короткі хвилі (3МГц – 30МГц) поширюються в іоносфері, багатократно відбиваючись від верхнього та нижнього шарів іоносфери, і в такий спосіб можуть навіть обійти всю земну кулю, проте їх поширення суттєво залежить від пори року, пори дня, від сонячної активності та від інших атмосферних впливів. Цей діапазон частот в основному використовують для аматорського радіозв’язку. Ультракороткі хвилі (30 МГц – 300МГц) та мікрохвилі (> 300 МГц) поширюються подібно до видимого оптичного випромінювання (прямолінійно), тобто уможливлюють безпосередній зв’язок на віддалі до сотень кілометрів, хоч в деяких випадках ця віддаль збільшується завдяки переломленню хвиль у тропосфері та відбиттю від поверхні Землі, обгинанню поверхні Землі, чи розпорошенню хвиль у іоносфері та тропосфері. Діапазон ультракоротких хвиль використовують для телевізійних передач, високоякісного радіомовлення, у цьому діапазоні функціонують навігаційні, радіолокаційні та інші системи зв’язку, а також в локальних радіомережах, які функціонують всередині будинків (радіотелефони). Інфрачервоний діапазон електромагнітних коливань застосовують зв’язку в зоні прямої видимості (декілька десятків метрів) або всередині приміщень. Невелика відстань зв’язку зумовлена значними заниканнями коливань в повітрі (1 – 10 дБ/км) під впливом атмосферних чинників (дощ, мряка, сніг тощо). Достоїнство інфрачервоних каналів зв’язку полягає у надзвичайно широкій смузі пропускання (до 200 ГГц), що уможливлює пересилання інформації з високою швидкістю.

Приймальний пристрій.

Вихід каналу зв’язку через відповідний вхідний пристрій під’єднується до входу приймача. Завдання вхідного пристрою полягає у тому, щоб з мінімальними втратами передати сигнал з каналу зв’язку на вхід приймального пристрою. У випадку провідникових каналів зв’язку вхідними пристроями є різного типу штуцери, роз’єми, з’єднувачі тощо. У випадку без провідникових каналів зв’язку такими пристроями є відповідні антени.

На приймальному пункті треба реалізувати процеси, що зворотні до процесів, які були здійснені на передавальному пункті, тобто так перетворити модульований сигнал, прийнятий на виході каналу зв’язку щоб отримати повідомлення у зручному для сприйняття користувачем вигляді. Це перетворення здійснюють послідовно у декілька етапів.

Оскільки на виході каналу зв’язку отримують суміш корисного модульованого сигналу та різного типу завад, які спотворюють корисний сигнал і знижують здатність системи пересилати інформацію з високою достовірністю, то на першому етапі здійснюють обробку прийнятої суміші з метою усунення впливу завад і якнайкращого відновлення спотвореної інформації. Для цього використовують операції обмежень, фільтрації та ін. Реалізує цю обробку прийнятої суміші т. зв. розв’язувальний пристрій, який є складовою частиною приймального пристрою. Зокрема, в цифрових системах пересилання інформації цей пристрій приймає рішення який саме бінарний символ (нуль чи одиниця) прийнято.

На виході розв’язувального пристрою отримують очищений від завад сигнал, який є аналогом модульованого сигналу, сформованого на виході модулятора передавального пристрою.

На другому етапі здійснюють операцію детектування (демодуляцію) вихідного сигналу розв’язувального пристрою і в результаті отримують сигнал, аналогічний до закодованого сигналу на виході код ера каналу (модулюючого сигналу).

На третьому етапі здійснюють операцію декодування сигналу, отриманого з виходу детектора (демодулятора), в такий спосіб, щоб надати йому вигляду, зручного для користувача. Цю операцію здійснює перетворювач – декодуючий пристрій (гучномовець – при пересиланні звукових повідомлень; кінескоп – при пересиланні телевізійних зображень рухомих об’єктів; принтер – при пересиланні рисунків, креслень, текстів).

Отже, структурна схема приймального пристрою має вигляд, показаний на рис. В.3.

Рис. В.3. Структурна схема приймального пристрою

Зі сказаного раніше стає очевидною визначальна роль сигналів у процесах обміну інформацією. Ці процеси пов’язані з різноманітними перетвореннями сигналів у електронних колах. Тому наступний розділ посібника присвячений основним положенням теорії сигналів, їх математичним моделям та характеристикам.

Наприкінці розгляду структурної схеми телекомунікаційної системи зазначимо, що для того, щоб система могла пересилати певну кількість інформації від відправника до отримувача, її основні блоки повинні задовольняти відповідні умови. Ці умови формулює теорія інформації на підставі аналізу обмежень, що виникають у процесі кодування джерела, та обмежень швидкості пересилання інформації через зашумлений телекомунікаційний канал. Умови забезпечення приймання повідомлень з наперед заданою низькою ймовірністю появи помилок на виході телекомунікаційного каналу формулює теорія кодування. Тому значення основ теорії кодування є необхідною умовою підготовки фахівця у галузі телекомунікацій.