Міжнародні інформаційні системи - Навчальний посібник ( Коломієць В.Ф.)

Розділ 4

Технологія передачі інформації

4.1. Поняття інформаційного каналу

Проблеми організації зв'язку ідуть у глибину сторіч. Сама сутність людини потребувала спілкування та обміну інформацією. Прообразом ліній зв'язку була сигналізація за допомогою вогнищ, використання оптичних і акустичних сигналів. Також давно виникла ідея ретрансляційних (переприймальних) станцій. За принципом передачі інформації сучасні радіорелейні лінії беруть свій початок від кур'єрської пошти (relay означає “зміну коней”). В Франції під час Великої французької революції вперше були організовані станції , що приймають та передають на вежах і пагорбах, створюючи регулярні лінії зв'язку.

Через двадцять років після Великої французької революції в 1837 р. американець Морзе розробив систему телеграфного апарата і запропонував код, що складається з крапок і тире. Таким чином, тільки на початку ХIХ в. спроби винайти електричний зв'язок увінчались успіхом. У 1832 р. російський академік П.Шиллінг побудував першу лінію телеграфного зв'язку, у 1876 р. американець Белл одержав патент на винахід телефону, поклавши початок мовного зв'язку по проводах. Початок ХХ в. ознаменувався винаходом радіо російським вченим А.С.Поповим.

У 1956 р. фірма Веll Laboratories побудувала першу цифрову лінію зв'язку для передачі мови за принципом імпульсно-кодової модуляції.

Сучасне суспільство - генератор великих обсягів інформації. І якщо навіть тільки частина цієї інформації потребує передачі на значні відстані, ця частина дуже значна. Зараз важко собі уявити розміри цього інформаційного масиву: телеграми, листи, мовні повідомлення, метеоповідомлення, банківські рахунки, газети, журнали, телевізійні програми. Сучасні системи зв'язку здатні передавати повідомлення в будь-якій формі: телеграфні, телефонні, телевізійні, масиви даних, друкарські матеріали, фотографії та інше.

У відповідності зі специфікою переданих повідомлень організується канал, що являє собою комплекс технічних засобів, який забезпечує передачу сигналів від джерела до споживача (мал.10).

Мал. 10. Структура системи передачі інформації

До головних параметрів, що характеризують канал зв'язку, відносяться: ширина смуги пропускання, припустимий динамічний діапазон змін амплітуди сигналу, а також рівень перешкод.

Передача великих інформаційних потоків на значні відстані здійснюється за допомогою кабельних, радіорелейних і супутникових ліній зв'язку. У найближчі роки можна очікувати на широке застосування оптичного зв'язку по оптичних кабелях.

Повідомлення для передачі за допомогою засобів електрозв'язку (так у нас прийнято називати те, що американці називають telecommunication) повинно бути попередньо перетворене в сигнал, під яким розуміється фізична величина , що змінюється, адекватно повідомленню. Процес перетворення повідомлення в сигнал називається кодуванням.

Проходження сигналів по каналу зв'язку завжди супроводжується перекручуванням та впливом перешкод. Тому головною функцією приймача є розпізнавання в прийнятих коливаннях переданого сигналу. Цю операцію приймач робить у процесі демодуляції (детектування, англійською detection - виявлення), тобто в процесі виділення переданого сигналу, після чого він перетворюється в повідомлення. Ці процеси умовно показані на мал.11.

 

 

Мал. 11. Процес передачі інформації в системі зв'язку

Каналом передачі інформації називають сукупність технічних засобів, що забезпечують передачу електричних сигналів від одного пункту до іншого. Входи каналу підключаються до передавача, а виходи - до приймача. Неодмінною складовою будь-якого каналу є лінія зв'язку - провідна, кабельна, радіо, мікрохвильова, оптична та супутникова.

У сучасних цифрових системах зв'язку головні функції передавача і приймача виконує пристрій, що називається модемом. Він являє собою сукупність передавача та приймача в одному корпусі для здійснення провідного дуплексного зв'язку. Якщо термінал знаходиться на значній відстані від комп'ютера, наприклад, у сусідньому будинку або в іншому місті, або зв'язок користувача з комп'ютером відбувається через звичайну телефонну мережу, необхідні прийомопередатчики на кінцевих пунктах лінії, їх функції виконує модем.

Модеми, що випускаються в даний час, різноманітні по конструкції, але, як правило, складаються з інтерфейсної частини для з'єднання з комп'ютером, кодера і декодера, модулятора та демодулятора. Часто до складу модему входять пристрої, що шифрують і дешифрують, які забезпечують таємність переданої інформації. Є також способи, що забезпечують скритність передачі. У залежності від типу модему він робить амплітудну, частотну або фазову модуляцію. З метою ущільнення смуги пропускання каналу частіше усього використовують багатократну фазову маніпуляцію. Типові швидкості передачі модемів 300, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400 біт/с.

Максимально можлива швидкість передачі інформації по каналу зв'язку при фіксованих обмеженнях називається ємністю каналу, позначається через С й має розмірність біт/с:

C=V/t, де V - об'єм інформації (біт), а t – час (сек).

Така одиниця має ще іншу назву – бод.

4.2. Цифрове представлення інформації

Поштовхом до представлення неперервних (аналогових) сигналів у цифровій формі послужила необхідність засекречування мовних сигналів під час другої світової війни. Ще більшим стимулом до цифрового перетворення аналогових сигналів було створення комп'ютера, який можна використовувати в якості кінцевого пристрою системи передачі цифрової інформації, доручаючи йому виконання логічних операцій по прийому та обробці сигналів.

В даний час у цифровій формі можна передавати будь-який вид інформації, забезпечуючи необхідну надійність при значній швидкості передачі. Сильним поштовхом у розвитку цифрових систем передачі інформації послужило створення інформаційно-обчислювальних мереж і наявність технологічної бази для виробництва високошвидкісних перемикачів, широкосмугових модемів, мультиплексорів, підсилювачів та інших пристроїв.

У аналізованому нами конкретному випадку кодування є представлення за визначеними правилами дискретних повідомлень у деякі комбінації, складені з визначеного числа елементів-символів. Ці елементи називаються елементами коду, а число різноманітних елементів, із яких складаються комбінації, основою коду. Елементи коду утворюють кодові комбінації. Наприклад, якщо ми складаємо комбінації з різноманітних сполучень (0 і 1), то це - код із основою два або двійковий код. Якщо усі комбінації мають однакове число знаків, код називається рівномірним. Широко відомий код Морзе - нерівномірний код. Правило кодування звичайно виражається кодовою таблицею, у якій кожному символу повідомлення ставиться у відповідність визначена кодова комбінація.

Кодове представлення дискретних значень сигналу здійснюється за допомогою цифр, але не обов'язково десяткових. Нагадаємо, що в десятковій системі, називаючи число, ми вказуємо, скільки одиниць від нуля до дев'яти є в розряді одиниць, у розряді десятків, сотень, тисяч і т.д. Те ж відбувається в будь-який іншій системі числення з іншою основою. У десятковій системі користуємося десятьма цифрами: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. У двійковій системі числення в нашому розпорядженні тільки дві цифри: 0 та 1. Тому десяткова цифра 23, наприклад, у двійковій системі буде виглядати так:

1 х 2 4 + 0 х 2 3 + 1 х 2 2 +1 х 2 1 + 1 х 2 0 =23,

і це число запишеться в послідовності розрядів як 10111.

На мал.12 показаний процес цифрового представлення інформації квантуванням по а). частоті і б). амплітуді.

Двійкова система числення широко використовується в обчислювальній техніці та зв'язку внаслідок використання електричних і електронних приладів із двома елементами стану (реле в замкнутому або розімкнутому стані, магнітний матеріал намагнічений або розмагнічений, два можливих стани тригера). Дуже зручним із погляду створення і розпізнавання є сигнал, що має два стани: “так” або “ні”, (1 або 0).

Отже, однією з головних переваг передачі інформації в цифровій формі є можливість використання кодованих сигналів і оптимального в заданих умовах способу їхнього прийому. Важливо, що при цифровій передачі усі типи сигналів, такі як мова, музика, телебачення, дані, можуть об'єднуватися в один загальний потік інформації, передача якого формалізована. Крім того, ущільнення при одночасному використанні комп'ютера дозволяє ефективніше використовувати спектр і час, захистити канал від несанкціонованого доступу, об'єднати в єдиний процес передачу цифрової інформації і цифрової комутації каналів та повідомлень.

Мал. 12. Представлення аналогового сигналу у вигляді дискретних відліків (вибірок)

Звичайно, за деякі переваги цифрових видів передачі необхідно сплачувати, зокрема, більшою шириною спектра сигналу, що випромінюється, наявністю міжсимвольних перешкод, необхідністю синхронізації систем передачі та інше. Темпи впровадження цифрової техніки говорять про те, що усі ці труднощі можливо подолати.

4.3. Комунікаційні артерії інформаційних потоків

Кабельний зв'язок

На практиці часто потрібно здійснити одночасну передачу інформації від багатьох джерел по одному каналу до інших споживачів, тобто здійснити багатоканальну передачу. Варто сказати, що сучасні системи передачі інформації практично завжди багатоканальні.

Спосіб об'єднання окремих повідомлень в один груповий сигнал із наступним поділом повідомлень на індивідуальні називається ущільненням або мультиплексуванням. До класичних методів ущільнення відносяться частотне, тимчасове та кодове.

Сучасна техніка зв'язку дозволяє організувати широкосмугові канали, тому доцільно використовувати методи, що дозволяють передавати найбільшу кількість телеграфних, телефонних, телевізійних та інших повідомлень на одній несучій частоті або у відведеному інтервалі частот.

Сутність методів мультиплексування складається в тому, що повідомлення від декількох джерел певним чином комбінуються в груповий сигнал і приймаються за допомогою одного прийомопередатчика. Оскільки сучасна система зв'язку звичайно є багатоканальною, необхідною частиною будь-якої системи передачі інформації служить мультиплексор (мал. 13).

 

Мал. 13. Цифрова система зв'язку

Найбільш відомим є спосіб частотного мультиплексування, коли в смузі пропускання каналу розміщається багато каналів, розділених за допомогою фільтрації по частоті. Кожний частотний канал визначений своїм спектром. Його тимчасова структура може бути різноманітною - це може бути послідовність імпульсів або телефонне повідомлення. Настроювання відповідних фільтрів приймача, які розділяють, дозволяє розділити прийнятий груповий сигнал на окремі.

При часовому мультиплексуванні в умовному інтервалі розміщають послідовно відрізки повідомлень, наприклад, кодові послідовності кожного окремого каналу. Якщо при частотному мулътиплексуванні повідомлення від різних абонентів передаються одночасно по спільному каналу, при часовому мультиплексуванні передача здійснюється суворо по черзі, тобто смуга пропускання каналу дається цілком на визначений інтервал часу кожному абоненту. На практиці звичайно групи каналів об'єднуються в супергрупи і при кожному ієрархічному об'єднанні може застосовуватися різний спосіб модуляції несучої частоти. Деякі фірми або країни працюють за своїми стандартами.

Ієрархія швидкостей передачі цифрових систем є важливою експлуатаційною характеристикою. Вона передбачає адаптивність систем до будь-яких цифрових каналів (від звичайних телефонних до волоконно-оптичних) і усіх інформаційних сигналів (від мовних до сигналів кольорового телебачення).

Кабель як інженерне спорудження має цікаву історію. Дуже коротко вона полягає в наступному.

У 1876 р. Олександр Белл одержав патент на винахід “Телеграф, за допомогою якого можна передавати людську мову”. Телефон зустріли в усьому світі з великим ентузіазмом і через декілька років багато міст буквально покрилися рясними тенетами проводів, що затьмарили денне світло на вулицях. Упорядкувати це павутиння проводів, яке вже стало виродливим для міст, допоміг кабель. У Росії перший кабель був прокладений у 1885 р. Спочатку це була проста скрутка ізольованих проводів, потім уже продумана інженерна конструкція пучка проводів, укладених у тривку оболонку. У 1891 р. був прокладений перший морський телефонний кабель між Англією і Францією. Кабель став головною артерією зв'язку. Проте не варто забувати, що кабель завжди був дорогим засобом передачі, тому що для його виготовлення були потрібні мідь, свинець, спеціальні ізоляційні матеріали, створення герметичності і т.д. Крім того, кабельна лінія потребує наявності підсилювальних пунктів.

Можна уявити як полегшено зітхнули фахівці, коли на початку ХХ сторіччя було винайдено радіо. Тепер ефір замінить кабель! На жаль, радіо як бездротовий вид зв'язку не вільно від хиб. Атмосферні та промислові перешкоди, можливості підслуховування, взаємний вплив радіостанцій, завмирання на коротких хвилях - усе це знижувало якість передач і робило їх ненадійними. Звісно ж, для зв'язку з рухливими об'єктами - літаками, кораблями, автомобілями - радіо залишається поза конкуренцією.

Освоєння діапазону ультракоротких хвиль дозволило створити радіорелейні лінії, що практично замінили високочастотний кабель. Народження супутникових систем зв'язку цілком вирішило задачу передачі великих потоків інформації на великі відстані. Кабель можна було б здати в музей.

І усе ж ера кабелю не закінчилась. Нові технології виготовлення високочастотних кабелів, що з'явилися в останній час , і створення оптичного кабелю може незабаром істотно змінити структуру систем передачі інформації. Завдяки величезній пропускній спроможності оптичний кабель стає незамінним у інформаційно-обчислювальних мережах, де потрібно передавати великі обсяги інформації з винятково високою надійністю, у місцевих телевізійних мережах і локальних обчислювальних мережах. Очікується, що незабаром оптичний кабель буде дешевий у виготовленні і зв'яже між собою великі міста та обчислювальні центри. Кабель, тепер вже оптичний, стає знову популярним.

Розробка в 1960-1961 р. лазера - джерела когерентного випромінювання у світловому діапазоні - стимулювала широкий інтерес до використання світла для передачі інформації. Оскільки лазер є джерелом монохроматичного світла (на відміну від світла звичайної лампочки), він дає можливість здійснювати спрямоване випромінювання, що модулюється як звичайна несуча на радіочастоті.

Світловод складається із серцевини з великим показником переломлення, по якому переноситься основна частина світлового потоку, й оболонки, що покриває серцевину, із постійним показником переломлення. Оболонка допомагає утримати електромагнітну енергію переважно в області серцевини завдяки повному відбитку від межі поділу серцевина - оболонка (мал. 14).

 

Мал. 14. Світловод (а) і конструкції оптичного кабелю (б)

Волокно - занадто тендітна нитка, щоб їм користуватися безпосередньо. На його основі виготовляють оптичний кабель. Один із варіантів конструкції кабелю такий: у центрі перетину розташовуються сталеві нитки, що служать елементами, які укріплюють; як правило вони покриваються оболонкою, потім по периметрі укладаються оптичні волокна з полімерним захистом.

Супутниковий зв'язок

Ідея використання космічного простору давно хвилювала кращі розуми людства. Поки не змогли вивести на навколоземну орбіту літальний апарат із відбивачем на борту, космічний зв'язок залишався мрією. Правда, була пропозиція використовувати в якості відбивача Місяць, але цей проект мав ряд хиб, і головним із них був занадто малий рівень відбитих сигналів.

Зараз важко відновити, кому першому належить ідея супутникового зв'язку. Вважається, що використання геостаціонарного супутника для цілей радіомовлення було запропоновано американцем А.Кларком у 1945 році. Його пропозиції судилося очікувати початку космічної ери, що відкрилася із запуском радянського супутника в 1957 році. Перший супутник зв'язку з пасивним відбивачем Score був запущений у 1958 році в США. Зв'язок через активні супутникові ретранслятори здійснювався пізніше: з 1962 р. через супутник Telstar і з 1963 р. через перший геостаціонарний супутник Syncom. Перший супутник зв'язку Early Bird міжнародної системи Intelsat був виведений на орбіту 6 квітня 1965 р., а 23 квітня 1965 року був запущений радянський супутник зв'язку "Молния-1" для ретрансляції інформації. Почалося практичне освоєння космічного простору для передачі інформації на великі відстані.

Переваги супутникового зв'язку були одразу ж оцінені. Лінія зв'язку через супутниковий ретранслятор має велику пропускну спроможність, перекриває величезні відстані, внаслідок низького рівня перешкод може передавати інформацію з високою надійністю. Ці переваги роблять супутниковий зв'язок унікальним і ефективним засобом передачі інформації.

Супутникова система складається з багатьох наземних станцій і ретранслятора, що знаходиться на супутнику. При русі супутника відносно Землі наземні станції повинні стежити за його рухом, поки він не сховається за обрієм. При цьому зв'язок порушується або ж на небокраї з'являється інший супутник, що приймає естафету у попереднього.

Особливий інтерес викликає геостаціонарна орбіта - кругова орбіта, що знаходиться в екваторіальній площині та віддалена від поверхні Землі на відстані біля 36 тис.км. У випадку, коли напрямок руху супутника на цій орбіті збігається з напрямком обертання Землі, супутник здається нерухомим щодо наземного спостерігача. Такий супутник називають геостаціонарним. Геостаціонарна орбіта унікальна, іншої такої орбіти не існує.

Переваги зв'язку через геостаціонарний супутник складаються в тому, що передача і прийом сигналів можливі при нерухомих антенах наземних станцій, а висота геостаціонарної орбіти така, що супутник “бачить” майже третю частину поверхні земної кулі.

Найважливішою відмінністю супутникових систем зв'язку від традиційних видів зв'язку є можливість здійснення глобального зв'язку в широкій смузі частот, тобто з високою швидкістю як із нерухомими, так і з рухливими об'єктами, що знаходяться практично в будь-якій точці земної кулі.

При цифровому методі передачі та використанні мікропроцесорної техніки найкращим вирішенням проблеми передачі великих потоків інформації є метод ВМД. Його ідея полягає в тому, що кожна наземна станція, що використовує ретранслятор супутника, має закріплений за нею тимчасовий канал - періодично повторюваний інтервал часу. Сигнали наземних станцій надходять на вхід ретранслятора в різні моменти. Супутник відповідно до шкали часу, що існує в системі , формує із сигналів , що надходять , багатостанційний груповий сигнал - так званий суперкадр - і ретранслює його на Землю.

На закінчення покажемо перспективи розвитку супутникового зв'язку. Потреби в передачі інформаційних потоків зростають швидко. Число діючих супутників на геостаціонарній орбіті вже досягло сотні. Якби супутники розташовувалися на орбіті рівномірно, то інтервал між ними складав би близько 3,6 градусів. Проте при використанні сучасних технічних засобів відстань на орбіті менше 5 градусів призводить до взаємних перешкод і створює труднощі прийому сигналів на Землі.

Що стосується обсягів переданої інформації, то, за даними американської фірми Future System Incorporated, до 2000 року потреба в супутникових системах може виражатися таким числом стандартних ретрансляторів (за стандартний прийнятий ретранслятор із смугою 36 МГц, у якій передається 1000 телефонних каналів): Північна Америка - 170, Західна Європа - 150, Японія - 73, Латинська Америка – 52, Китай - 30, Середній Схід і Північна Африка - 30, Азія ( без Китаю і Японії) - 43, Африка ( без Північної та Південної Африки) - 10.