ИНФОРМАЦИОННЫЙ КАНАЛ

Сообщение для передачи с помощью средств электросвязи (так у нас принято называть то, что американцы называют telecommunication) должно быть предварительно преобразовано в сигнал, под которым понимается изменяющаяся физическая величина, адекватная сообщению. Процесс преобразования сообщения в сигнал называется кодированием.

Как лучше передать электрический сигнал? По физическим законам излучение электромагнитных волн эффективно, если размеры излучателя соизмеримы с длиной излучаемой волны, поэтому передача сигналов по радиоканалам, кабелям, микроволновым линиям производится на высоких частотах (т. е. на весьма коротких волнах). Сигнал передается на “несущей” частоте. Процесс изменения параметров несущей в соответствии с сигналом, передаваемым на этой несущей, называют модуляцией. Модуляция - основной процесс или функция передатчика.

Кстати, таким же образом распорядилась природа, решив задачу излучения звуковых колебаний человеком. Так как губы человека способны делать не более 10 движений в секунду, человек может излучать звуковые колебания частоты 10 Гц, что соответствует длине волны 33 км. Размеры полости рта настолько малы по сравнению с излучаемой длиной волны, что движение губ человека никто бы не слышал. Природа позаботилась о голосовых связках, излучающих гармоническую несущую, которая затем модулируется с помощью мышц полости рта.

Гармоническая (синусоидальная) несущая имеет три информационных параметра, которые можно модулировать - амплитуду, частоту и фазу. Соответственно этому при передаче сигналов используют амплитудную, частотную и фазовую модуляцию, которая в случае дискретных сигналов называется манипуляцией.

Наиболее помехоустойчивой, т. е. невосприимчивой к помехам, оказывается фазовая модуляция или манипуляция (ФМн). Это объясняется “амплитудным” характером воздействующих помех и такой параметр, как фаза несущей, менее других параметров подвергается губительному воздействию помех. Фазоманипулированный сигнал представляет собой отрезок гармонического колебания с изменяющейся на 180° фазой. В векторной форме это можно изобразить так, как показано на рис. 5, а.

При векторном изображении сигналов помехи также можно рассматривать как случайные вектора со случайной амплитудой и фазой. Такое геометрическое представление сигналов и помех позволяет легко понять, почему ФМн сигнал с двумя значениями фазы оказывается наиболее помехоустойчивым. Дело в том, что приемник при приеме сигналов решает задачу: в какой из областей решения находится сигнал (верхней или нижней, рис. 5, а). В том случае, когда область принятия решения состоит только из двух частей, вероятность ошибки наименьшая. Однако если 2ФМн сигнал переносит один сигнал, то 4ФМн переносит сразу два сигнала (рис. 5, б), 8ФМн - четыре сигнала (рис. 5, в).

Прохождение сигналов по каналу связи всегда сопровождается искажениями и воздействием помех. Поэтому основной функцией приемника является распознание в принимаемых колебаниях переданного сигнала. Эту операцию приемник производит в процессе демодуляции (детектирования, по английски detection - обнаружение), т. е. в процессе выделения передаваемого сигнала, после чего он преобразовывается в сообщение. Эти процессы условно показаны на рис. 6.

Каналом передачи информации называют совокупность технических средств, обеспечивающую передачу электрических сигналов от одного пункта к другому. Входы канала подключаются к передатчику, а выходы - к приемнику. Непременной составной частью любого канала является линия связи - проводная, кабельная, радио, микроволновая, оптическая, спутниковая.

В современных цифровых системах связи основные функции передатчика и приемника выполняет устройство, называемое модемом. Он представляет собой совокупность передатчика и приемника в одном корпусе (в своем собственном или в корпусе компьютера) для осуществления проводной дуплексной связи. Если терминал находится на значительном расстоянии от компьютера, например в соседнем здании или другом городе, или связь пользователя с компьютером происходит через обычную телефонную сеть, необходимы приемопередатчики на оконечных пунктах линии и их функции выполняет модем.

Выпускаемые в настоящее время модемы различны по конструкции, но, как правило, состоят из интерфейсной части для соединения с компьютером, кодера и декодера, модулятора и демодулятора. Часто в состав модема входят шифрующее и дешифрующее устройства, обеспечивающие секретность передаваемой информации. Имеются также способы, обеспечивающие скрытность передачи. В зависимости от типа модема он производит амплитудную, частотную или фазовую модуляцию. С целью уплотнения полосы канала чаще всего используют многократную фазовую манипуляцию (см. рис. 5). Типовые скорости передачи у модемов 300, 1200, 2400, 4800, 9600, до 56000 бит/с.

Кроме модема, передатчиком и приемником может служить как сам компьютер (точнее мультикарта), так и сетевая карта. Но у этих двух средств есть ограничения по расстоянию, на котором должны находиться компьютеры. Для сетевых карт - в пределах здания, а для мультикарт, а точнее, соединения двух компьютеров по последовательным или параллельным портам ввода-вывода, в пределах комнаты. Однако у сетевых карт есть преимущество над модемом и мультикартой - возможность одновременного подсоединение огромного числа пользователей (обычно это число ограниченно программным обеспечением до 100 пользователей одновременно), тогда как у модема и мультикарты количество пользователей ограниченно двумя.

Скорость передачи информации, а ее предельно допустимое значение для данного канала называют емкостью канала, относится к фундаментальным понятиям теории связи. Она служит одной из главных характеристик канала передачи информации. Оценка скорости передачи информации и предельных возможностей канала связи представляет большой практический и теоретический интерес, а выявление принципиальных ограничений в передаче информации является интересной физической и математической задачей.

Рассматривая процесс передачи информации в общих чертах, можно предположить, что основными факторами, ограничивающими скорость передачи информации, являются полоса пропускания F и уровень помех. Чтобы понять некоторые принципиальные стороны этой проблемы, совершим небольшой экскурс в область теории.

Существует фундаментальная теорема о “выборках”, которая доказывает, что сигнал, не содержащий в своем спектре частот выше F, может представляться 2F независимыми значениями в секунду, и совокупность значений, отстоящих друг от друга на T секунд, определяет непрерывный сигнал полностью. Заметим, что “выборкой” является отсчет амплитуды сигнала в определенный момент (на рис. 7.а можно увидеть эти выборки). (Термин “выборки” взят от английского samples, теорему о выборках называют также теоремой отсчетов.)

Эта теорема позволяет на интервале T заменить непрерывный сигнал с ограниченным спектром последовательностью его дискретных значений, причем их нужно не бесконечное число, а вполне определенное, равное 2FT. Уровень шумов (помех) не позволяет точно определить амплитуду сигнала и в этом смысле вносит некоторую неопределенность в значение отсчетов сигнала.

Максимально возможная скорость передачи информации по каналу связи при фиксированных ограничениях называется емкостью канала, обозначается через С и имеет размерность бит/с.

Рассмотрим соотношение для емкости канала связи, являющееся фундаментальным соотношением в теории связи. Они позволяют понять некоторые принципиальные зависимости при передаче информации вообще. Еще в 1928 г. Американец Р. Хартли (R. Hartley) предложил за меру количества информации I принять логарифм возможных состояний объекта L: I = log L.

Основание логарифма здесь не имеет значения. Если основание равно двум, то единицей измерения количества информации оказывается бит.

Определим количество различных сообщений, которое можно составить из n элементов, принимающих любые из m различных фиксированных состояний. Из ансамбля n элементов, каждый из которых может находиться в одном из m фиксированных состояний, можно составить mⁿ различных комбинаций, т. е. L = mⁿ. Тогда I = log mⁿ = n log m.

При полосе F наибольшее число отсчетов сигнала равно 2F в единицу времени или 2FT время T.

Если бы шума не существовало, то число дискретных уровней сигнала было бы бесконечным. В случае наличия шума последний определяет степени различимости отдельных уровней амплитуды сигнала. Так как мощность является усредненной характеристикой амплитуды, число различимых уровней сигнала по мощности равно (P_С + P_Ш) / P_Ш, а по амплитуде соответственно

Тогда емкость канала

Итак, емкость канала ограничивается двумя величинами: шириной полосы канала и шумом. Приведенной соотношение известно как формула Хартли-Шеннона и считается основной в теории информации.

Полоса частот и мощность сигнала входят в формулу таким образом, что для C = const при сужении полосы необходимо увеличивать мощность сигнала, и наоборот.

Емкость канала является максимальной величиной скорости. Чтобы достигнуть такой скорости передачи, информация должна быть закодирована наиболее эффективным образом. Утверждение, что такое кодирование возможно, является важнейшим результатом созданной Шенноном теории информации. Шеннон доказал принципиальную возможность такого эффективного кодирования, не определив, однако, конкретных путей его реализации. (Отметим, что на практике инженеры часто говорят о емкости канала, подразумевая под этим реальную, а не потенциальную скорость передачи.)

Эффективность систем связи характеризуется параметром, равным скорости передачи информации R на единицу ширины полосы F, т. е. R/F. Для иллюстрации существующих возможностей по созданию эффективных систем связи на рис. 8 приведены графики зависимости эффективности передачи информации при различных видах М-ичной дискретной амплитудной, частотной и фазовой модуляции (кроме бинарной модуляции используется также модуляция с 4, 8, 16 и даже с 32 положениями модулируемого параметра) от отношения энергии одного бита к спектральной плотности мощности шума (E0/N0). Для сравнения показана также граница Шеннона.

Сравнение кривых показывает, в частности, что при неизменном отношении сигнал-шум наиболее популярный вид модуляции 4ФМн в три раза хуже потенциально достижимого. Из сравнения кривых можно сделать более общие выводы: наиболее эффективной оказывается передача с фазовой дискретной модуляцией; современные методы кодирования и модуляции еще весьма далеки от совершенства.

3. ИМПУЛЬСНО-КОДОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ В настоящее время (начиная с 1962 года) для передачи голоса используются цифровые системы передачи, основанные на импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), что позволяет улучшить энергетические характеристики процесса передачи в целом и упростить настройку. Импульсные методы модуляции основаны на процессе дискретизации передаваемого аналогового сигнала, т.е. использовании последовательности выборок аналогового сигнала, взятых периодически с частотой дискретизации fд. Сигнал с ограниченным спектром, каким является сигнал канала ТЧ, имеющий частоту среза fср = 4 кГц, может быть восстановлен без искажений, если fд = 2 fср (теорема Котельникова-Найквиста), т.е. частота дискретизации должна быть 8 кГц (период дискретизации Тд = 125 мкс). Следующим шагом является квантование амплитуд выборок – процесс определения для каждой выборки эквивалентного ей численного (цифрового) значения. Указанные два шага (дискретизация и квантование) определяют процессы, осуществляемые при ИКМ, позволяющие перейти от аналогового представления речевого сигнала к цифровому. Численное значение каждой выборки в этой схеме представляется (кодируется) в виде 7- или 8-битного двоичного кода, такое кодирование часто называют кодификацией. Фактически реализуется нелинейное квантование (эквивалентное кодированию с использованием 13 бит на выборку) для обеспечения качественной передачи речи. Учитывая, что выборки передаются последовательно, получаем двоичный цифровой поток со скоростью 56 кбит/с (8 кГц х 7 бит на выборку) в случае 7-битного кодирования (Bell D1, США) или 64 кбит/с (8 кГц х 8 бит на выборку) в случае 8-битного кодирования, принятого в системе Bell D2 (США) и в европейском стандарте CEPT (ETSI). Применение ИКМ в качестве метода передачи информации позволяет организовать канал передачи, который может использоваться или как канал передачи цифровой телефонии, или как канал передачи данных со скоростью 64 кбит/с, называемый основным цифровым каналом ОЦК (или каналом DS0).   4. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ   Обобщенная структурная схема линейного канала передачи ВОСП с оконечным оборудованием, но без промежуточного оборудования (например, линейных усилителей и регенераторов) приведена на рис. 10, где представлены основные устройства, общие для цифровых ВОСП различного назначения, обеспечивающие формирование, передачу и прием передаваемого по линейному тракту сигнала (оборудование управления и контроля также не включены в блок-схему).

Рис. 10

Схема состоит из следующих блоков: 1 — блок преобразования входного сигнала в ИКМ-последовательность (каналообразующий блок), выполняющий все необходимые преобразования: дискретизацию, квантование, линейную (или нелинейную, если нужно) кодификацию и помехоустойчивое кодирование; 2 — блок временного группообразования компонентных сигналов (фреймов/трибов) PDH требуемого уровня иерархии;   3 — интерфейсный блок компонентных (трибных) сигналов, поступающих на временное мультиплексирование SDH, осуществляющий все необходимые функции, в том числе ввода/вывода, локальной кросс-коммутации и т.д.; 4 — блок мультиплексирования SDH, осуществляющий логическое формирование модуля STM-N требуемого уровня в данной иерархии; 5 — оптический интерфейсный блок, преобразующий логическую импульсную последовательность в физическую последовательность STM-N (выполняет все необходимые преобразования по формированию заголовков: секционного, мультиплексного и путевого (трактового), а также интерфейсное кодирование); 6 — передающий блок, осуществляющий все необходимые преобразования, в том числе модуляцию источника несущего излучения (лазера) и линейное кодирование; 7 — блок волнового мультиплексирования WDM, необязательный блок, формирующий многоканальную волновую последовательность, если в этом есть необходимость; 8 — мощный оптический усилитель (бустер) МУ, необязательный блок, осуществляющий усиление оптической цифровой последовательности до уровня, требуемого для создания необходимого общего бюджета мощности; 9 — оптический линейный усилитель ЛУ, необязательный блок (один или несколько), осуществляющий оптическое усиление сигнала на участке (одном или нескольких) перекрытия (пролета или регенерации); 10 — оптический предусилитель, необязательный блок, осуществляющий усиление входного сигнала на приемном конце и используемый при необходимости дополнительного усиления; 11 — демультиплексор WDM, если в схеме ВОСП используется волновое мультиплексирование; 12 — оптический приемник, блок осуществляющий прием сигнала, т.е. реализующий функции, обратные передатчику, плюс дополнительные функции, например фильтрацию оптических несущих, если используется технология WDM; 13 — оптический интерфейсный блок, преобразующий физическую последовательность, эквивалентную модулю STM-N в логическую импульсную последовательность (выполняет все необходимые обратные по отношению к блоку 5 преобразования по декодированию интерфейсного кода и интерпретации заголовков: секционного, мультиплексного и путевого (трактового)); 14 — блок демультиплексирования SDH, осуществляющий логическую декомпозицию импульсной последовательности модуля STM-N и выделение компонентных сигналов (трибов) требуемого уровня иерархии PDH (т.е. преобразования, обратные осуществляемым в блоке 4); 15 — интерфейсный блок компонентных (трибных) сигналов, осуществляющий все необходимые функции и преобразования, обратные осуществляемым в блоке 3; 16 — блок разборки группового сигнала (фрейма/триба) PDH принятого уровня иерархии до требуемого, например Е1, и выделение нужного тайм-слота (т.е. преобразования, обратные осуществляемым в блоке 2); 17 — блок преобразования ИКМ-последовательности в выходной сигнал, выполняющий все необходимые обратные преобразования: помехоустойчивое декодирование и восстановление дискретизированного, квантованного и кодифицированного сигнала (т.е. преобразования, обратные осуществляемым в блоке 1). При дуплексной передаче необходимо иметь двойной комплект оборудования для осуществления операций приема-передачи на обоих концах.