Сигналы. Передача информации в компьютерных сетях посредством сигналов
Сигналы — это физические процессы, параметры которых содержат информацию.
Назначение сигналов заключается в том, чтобы в каком-либо физическом процессе отобразить события, величины, функции. Дня образования сигналов с целью передачи информации используются следующие базовые сигналы или носители:
• сигнал фиксированного уровня — имеет постоянное значение в течение определённого промежутка времени (показан на рис. 41);
Рис. 41. Сигнал фиксированного уровня • периодические сигналы (рис. 42);
Рис. 42. Периодический сигнал • импульсы любой физической природы (рис. 43).
Рис. 43. Импульсный сигнал
В исходном состоянии физические носители этих трёх типов не несут никакой информации и представляют собой нечто вроде «чистой» поверхности, которую можно использовать для нанесения информации.
Нанесение информации достигается определенным изменением параметров физических процессов, состояний, соединений, колебательных элементов. Чаще всего для этих целей используется изменение параметров физических процессов, т. е. колебаний или импульсных последовательностей. Этот процесс называется модуляцией. Иными словами, можно сформулировать следующие определения.
Модуляция — операция, посредством которой осуществляется нанесение информации путем изменения параметров физических процессов, а именно, колебаний или импульсных последовательностей.
Демодуляция — обратная операция, посредством которой восстанавливается величина, вызвавшая изменение параметров при модуляции.
Для нанесения информации используются следующие параметры сигнала:
- 1) фиксированный уровень:
- а) уровень сигнала,
- б) полярность;
- а) амплитуда,
- б) частота,
- в) фаза;
- а) уровень сигнала,
- б) длительность сигнала,
- в) фаза сигнала,
- г) частота,
- д) последовательность импульсов,
- е) скважность.
Математическое представление операции модуляции будет иметь следующий вид:
U2 = g[a1? а2, а3. aj+Dai(t), an,t] — модулированный сигнал, где Dai(t) — переменная, составляющая параметра носителя, несущая информация, или модулирующая функция. Она связана с информативной или управляющей функцией линейной зависимостью Da* = kx .
Рассматривая модуляцию, введем такое понятие, как информативные параметры. При модуляции можно изменять либо один параметр, либо несколько одновременно.
В зависимости от того, какое количество информативных параметров изменяется при нанесении информации, модуляция делится на простую и сложную.
Простая модуляция — это когда изменяется только один информативный параметр (ai5 i = 1).
Сложная модуляция — это когда изменяется некоторое количество параметров (аь i = 2).
Примеры простых видов модуляции для носителя второго типа гармонического сигнала приведены на рис. 44 и 45.
Рис. 44. Амплитудная модуляция
Рис. 45. Частотная и фазовая модуляция
Примеры простых видов модуляции для носителя третьего типа последовательности импульсов строгой периодичности показаны на рис. 46. К ним относятся следующие виды модуляции: амплитудно-импульсная (АИМ), частотно-импульсная (ЧИМ), времяимпульсная (ВИМ), фазоимпульсная (ФИМ), широтно-импульсная (ШИМ), счетно-импульсная (СЧИМ), кодоимпульсная модуляция (КИМ) [22].
Рис. 46. Импульсная модуляция
3.3.1. Цифровое кодирование.
Сигналы: характеристики и классификация
Сигнал – это средство передачи информации из одного пункта в другой. Потребность в передаче информации существовала уже довольно давно.
Мы будем рассматривать способ передачи информации с помощью электромагнитных сигналов, т.е. электросвязь. Это способ связи предусматривает передачу информации за счет изменения какого-либо параметра несущего электрического сигнала. Данный процесс получил название модуляции. В простейшем случае в качестве несущего сигнала выступает синусоида (sin(x)). Максимально упрощенно, синусоида представляет собой плавное изменение напряжения в проводнике от некоего минимума до некоего максимума циклически с определенным интервалом (периодом). Любой сигнал, равно как и синусоида, обладают тремя основными параметрами: амплитудой, частотой и фазой.
Основные характеристики сигнала
Амплитуда – это максимальное отклонение напряжения сигнала от нулевого порога в область положительных или отрицательных значений. Представляет собой пределы, в которых изменяется сигнал. Амплитуда обычно измеряется в Вольтах (В). Если амплитуда будет слишком большой, то проводник может перегреться и выйти из строя. При недостаточном напряжении сигнал будет затухать в проводнике слишком быстро и не достигать получателя.
Частота – это количество колебаний сигнала в единицу времени. Для стандартизации принято в качестве единицы времени используется одна секунда. Единицей измерения частоты служит Герц (Гц). Один Герц соответствует одному колебанию сигнала в секунду. Если, например, говорят о 100 Гц, то подразумевают, что сигнал совершил 100 последовательных переходов из максимального в минимальное значение и в обратном направлении. Величиной обратной частоте является период, который показывает задержка времени между соседними значениями сигнала равной величины (например, максимальными значениями).
Фаза показывает, из какого первоначального значения начинает изменяться синусоида. Фаза измеряется в градусах или радианах. Если речь идет о градусах, то значение фазы может быть в пределах от 0 до 360. Фаза 0 градусов означает, что сигнал начинает изменяться от 0В к максимальному значению, 90 градусов – от максимального значения к минимальному, 180 градусов – от 0В к минимальному значению, а 270 – от минимального к максимальному. Исходя из этого не сложно представить себе другие промежуточные значения фазы.
Для передачи сигнала используются каналы связи. Канал связи – это путь прохождения сигнала. Канал связи организовывается в какой-либо линии связи: в металлическом или оптическом кабеле, свободном пространстве (в т. ч. и космосе) или какой либо другой среде.
Основной принцип электросвязи заключается в том, что сигналы не несут информацию сами по себе. Они несут информацию лишь из-за того, что источник и приемник информации условились, что изменение какого-либо параметра несущего сигнала будет означать для другой стороны какую либо информацию. Исходя из этого, становиться очевидным, что наибольшая проблема в процессе передачи информации заключается в возможном мешающем воздействии (предумышленном или случайном) с внешней стороны на среду передачи сигнала. В качестве такого воздействия могут выступать электромагнитные наводки других линий связи, воздействия от промышленного и бытового оборудования, злоумышленные действия третьих лиц и т.п. Чтобы избавиться от внешнего воздействия используют различные способы защиты: шифрование, кодирование, специальные методы модуляции, экранирование линий связи и т.п. Однако полностью избавиться от мешающих воздействия обычно не удается, поэтому говорят о различных показателях качества передачи: число ошибок в секунду, максимальное число подряд идущих ошибок и т.п. Для различных назначений выбирают разные по качеству каналы связи и способы защиты.
