9.1. Информация, сообщения, сигналы

Под термином «информация» понимают различные сведения, ко­торые поступают к получателю. В литературе встречается наиболее часто следующее определение информации: информация - это све-дения, являющиеся объектом передачи, распределения, преобразо­вания, хранения или непосредственного использования. Это могут быть сведения о результатах измерения, наблюдения за каким-либо объектом и т.п. В дальнейшем нас будут интересовать лишь вопросы, связанные с информацией как объектом передачи.

Сообщение является формой представления информации. Одно и то же сведение может быть представлено в различной форме. На­пример, сведение о часе приезда вашего приятеля может быть пере­дано по телефону или же в виде телеграммы. В первом случае мы имеем дело с информацией, представленной в непрерывном виде (непрерывное сообщение). Будем считать, что это сообщение выра­батывается некоторым источником - в данном случае источником не­прерывных сообщений. Во втором случае - с информацией, пред­ставленной в дискретном виде (дискретное сообщение). Это сообще­ние вырабатывается источником дискретных сообщений.

При передаче сведений по телеграфу информация заложена в бу­квах, из которых составлены слова, и цифрах. Очевидно, что на ко­нечном отрезке времени число букв или цифр конечное. Это и явля­ется отличительной особенностью дискретного или счетного сообще­ния. В то же время число различных возможных значений звукового давления, измеренное при разговоре, даже на конечном отрезке вре­мени будет бесконечным. В современных цифровых системах теле­фонной связи в канал связи передаются кодовые комбинации, несу­щие информацию об отсчетах квантованного аналогового сигнала. Следовательно, такой телефонный квантованный сигнал относится к классу дискретных, и поэтому будем в дальнейшем рассматривать только вопросы передачи дискретных сообщений. В случае телефон ной связи под сообщением будем понимать некоторую последова­тельность отсчетов квантованного аналогового сигнала, передавае­мую в канале связи в виде последовательности кодовых комбинаций (см. гл. 3).

Рис. 9.1. Тракт передачи дискретных сообщений

Информация, содержащаяся в сообщении, передается получа­телю по каналу передачи дискретных сообщений (ПДС) (рис. 9.1).

Сообщение поступает от источника дискретных сообщений, кото­рый характеризуется алфавитом передаваемых сообщений А (Для телефонного сообщения объем алфавита будем определять как число уровней квантования аналогового (непрерывного) сигнала, снимаемого с выхода микрофона. Обычно К =256). Пусть объем этого алфавита (число символов алфавита) К, а вероятность выдачи символа . К числу основных информа­ционных характеристик сообщений относятся количество информа­ции в отдельных сообщениях, энтропия и производительность источ­ника сообщений. [1-4].

Количество информации в сообщении (символе) определяется в битах - единицах измерения количества информации. Чем меньше вероятность появления того или иного сообщения, тем большее ко­личество информации мы извлекаем при его получении. Если в памя­ти источника имеются два независимых сообщения (a₁ и а₂) и первое из них выдается с вероятностью р(а₁) =1, то сообщение a₁ не несет информации, ибо оно заранее известно получателю.

Было предложено определять количество информации, которое приходится на одно сообщение а_i, выражением

.

Среднее количество информации Н(А), которое приходится на од­но сообщение, поступающее от источника без памяти, получим, при­менив операцию усреднения по всему объему алфавита [1]:

(9.1)

Выражение (9.1) известно как формула Шеннона для энтропии ис­точника дискретных сообщений. Энтропия - мера неопределенности в поведении источника дискретных сообщений. Энтропия равна нулю, если с вероятностью единица источником выдается всегда одно и то же сообщение (в этом случае неопределенность в поведении источ­ника сообщений отсутствует). Энтропия максимальна, если символы источника появляются независимо и с одинаковой вероятностью.

Определим энтропию источника сообщений, если К = 2 и р(а₁) = р(а₂) = 0,5. Тогда

Отсюда 1 бит - это количество информации, которое переносит один символ источника дискретных сообщений в том случае, когда алфавит источника состоит из двух равновероятных символов.

Если в предыдущем примере взять р(а₁) ≠ р(а₂), то Н(А) < 1 бит/сообщ. Таким образом, один бит- максимальное среднее количе­ство информации, которое переносит один символ источника дис­кретных сообщений в том случае, когда алфавит источника включает два независимых символа.

Среднее количество информации, выдаваемое источником в еди­ницу времени, называют производительностью источника

Н'(А) = Н(А)/Т (бит/с), (9.2)

где Т - среднее время, отводимое на передачу одного символа (со­общения).

Для каналов передачи дискретных сообщений вводят аналогичную характеристику - скорость передачи информации по каналу R. Она определяется количеством бит, передаваемых в секунду. Максималь­но возможное значение скорости передачи информации по каналу называется пропускной способностью канала и обозначается С.

Сообщение, поступающее от источника, преобразуется в сигнал, ко­торый является его переносчиком в системах электросвязи. Система электросвязи обеспечивает доставку сигнала из одной точки простран­ства в другую с заданными качественными показателями. Схема пере­дачи сообщений, в состав которой входят преобразователи сообще­ние-сигнал-сообщение, приведена на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Принцип передачи сообщений

Виды сигналов. Различают четыре вида сигналов: непрерывный непрерывного, непрерывный дискретного времени, дискретный не­прерывного и дискретный дискретного времени [4].

Непрерывные сигналы непрерывного времени называют сокра­щенно непрерывными (аналоговыми) сигналами. Они могут изменять­ся в произвольные моменты, принимая любые значения из непрерыв­ного множества возможных значений (рис. 9.3). К таким сигналам от­носится и известная всем синусоида.

Непрерывные сигналы дискретного времени могут принимать произвольные значения, но изменяться только в определенные, на­перед заданные (дискретные) моменты t₁, t₂, t₃, ... (рис. 9.4). Дискрет­ные сигналы непрерывного времени отличаются тем, что они могут изменяться в произвольные моменты, но их величины принимают только разрешенные (дискретные) значения (рис. 9.5).

Дискретные сигналы дискретного времени (сокращенно дискрет­ные) (рис. 9.6) в дискретные моменты времени могут принимать толь­ко разрешенные (дискретные) значения.

Рис. 9.7. Цифровой сигнал данных

Сигналы, формируемые на выходе преобразователя дискретного сообщения в сигнал, как правило, являются по информационному па­раметру дискретными, т. е. описываются функцией дискретного вре­мени и конечным множеством возможных значений.

В технике передачи данных такие сигналы называют цифровыми сигналами данных (ЦСД). Рассмотрим далее основные определения, относящиеся к ЦСД.

Параметр сигнала данных, изменение которого отображает изме­нение сообщения, называется представляющим (информационным) параметром сигнала данных [5].

На рис. 9.7 изображен ЦСД, представляющим параметром которо-го является амплитуда, а множество возможных значений представ­ляющего параметра равно двум (и = U-\ и и = 0).

Часть цифрового сигнала данных, отличающаяся от остальных частей значением одного из своих представляющих параметров, на­зывается элементом ЦСД.

Фиксируемое значение состояния представляющего параметра сигнала называется значащей позицией. Момент, в который происхо­дит смена значащей позиции сигнала, называется значащим момен­том (ЗМ). Интервал времени между двумя соседними значащими моментами сигнала называется значащим интервалом времени (ЗИ).

Минимальный интервал времени, которому равны значащие интервалы времени сигнала, называется единичным интервалом (см. рис. 9.7 интервалы а-б, б-в и др.).

Элемент сигнала, имеющий длительность, равную единичному интервалу времени, называется единичным элементом (е.э.).

Термин «единичный элемент» - один из основных в технике пере­дачи данных. В телеграфии ему соответствует термин элементарная

посылка (ГОСТ 22515-77).

Различают изохронные и анизохронные сигналы данных. Для изо­хронного сигнала любой значащий интервал времени равен единич­ному интервалу или их целому числу. Анизохронными называются сигналы, элементы которых могут иметь любую длительность, но не менее чем . Другой особенностью анизохронных сигналов являет­ся то, что анизохронные сигналы могут отстоять друг от друга на про­извольном расстоянии.