1.3: Структура комунікаційних систем

Last updated
Save as PDF

Page ID: 32901

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Вступ до фундаментальної моделі зв'язку, від генерації сигналу у джерела через галасливий канал до прийому сигналу на раковині.

Малюнок 1.3.1 Фундаментальна модель комунікації.

Фундаментальна модель комунікацій зображена на малюнку 1.3.1. У цій фундаментальній моделі кожен сигнал, що несе повідомлення, на прикладі s (t), є аналоговим і є функцією часу. Система працює на нульовому, одному або декількох сигналах, щоб виробляти більше сигналів або просто поглинати їх (рис. 1.3.2). В електротехніці ми представляємо систему у вигляді коробки, що приймає вхідні сигнали (зазвичай йдуть зліва) і виробляє з них нові вихідні сигнали. Це графічне представлення відоме як блок-схема. Позначаємо вхідні сигнали лініями, що мають стрілки, що вказують в коробку, вихідні сигнали стрілками, що вказують подалі. Як це характерно для комунікаційної моделі, як інформаційні потоки, як вона пошкоджена та маніпулюється, і як вона в кінцевому підсумку отримується, підсумовується шляхом з'єднання блок-схем: Виходи однієї або декількох систем служать входами для інших.

Малюнок 1.3.2 Система працює на своєму вхідному сигналі x (t) для отримання вихідного y (t).

У комунікаційній моделі джерело видає сигнал, який буде поглинатися раковиною. Прикладами сигналів часової області, що виробляються джерелом, є музика, мова та символи, набрані на клавіатурі. Сигнали також можуть бути функціями двох змінних - зображення - це сигнал, який залежить від двох просторових змінних - або більше - телевізійні зображення (відеосигнали) є функціями двох просторових змінних та часу. Таким чином, джерела інформації виробляють сигнали. У фізичних системах кожному сигналу відповідає електрична напруга або струм. Щоб мати можливість проектувати системи, ми повинні розуміти електротехніку та техніку. Однак спочатку потрібно зрозуміти загальну картину, щоб оцінити контекст, в якому працює інженер-електрик.

У системах зв'язку повідомлення - сигнали, вироблені джерелами, повинні бути передані для передачі. Блок-схема має повідомлення s (t), що проходить через блок, позначений передавачем, який виробляє сигнал x (t). У випадку радіопередавача він приймає вхідний аудіосигнал і виробляє сигнал, який фізично є електромагнітною хвилею, випромінюваною антеною і поширюється, як прогнозують рівняння Максвелла. У випадку з комп'ютерною мережею набрані символи інкапсулюються в пакети, прикріплюються за допомогою адреси призначення, і запускаються в Інтернет. З точки зору «великої картини» комунікаційних систем застосовується та сама блок-схема, хоча системи можуть бути дуже різними. У будь-якому випадку передавач не повинен працювати таким чином, щоб повідомлення s (t) не можна було відновити з x (t). У математичному сенсі повинна існувати зворотна система, інакше система зв'язку не може вважатися надійною. (Смішно передавати сигнал таким чином, щоб ніхто не зміг відновити оригінал. Однак існують розумні системи, які передають сигнали так, що відновити їх може тільки «в натовпі». Такі криптографічні системи лежать в основі секретних комунікацій.)

Передані сигнали далі проходять через наступний етап, канал зла. Нічого хорошого не відбувається з сигналом у каналі: він може пошкоджуватися шумом, спотвореним та ослабленим серед багатьох можливостей. Канал не можна уникнути (реальний світ жорстокий), а дизайн передавача та дизайн приймача зосереджуються на тому, як найкраще спільно відбиватися від впливу каналу на сигнали. Канал - це ще одна система на нашій блок-схемі, і виробляє r (t), сигнал, отриманий приймачем. Якби канал був доброякісним (удачі знайти такий канал в реальному світі), приймач служив би зворотною системою до передавача, і віддавав повідомлення без спотворень. Однак через канал приймач повинен зробити все можливе, щоб отримати отримане повідомлення\[\hat{s}(t) \nonumber \]
, яке максимально нагадує s (t). Шеннон показав у своїй роботі 1948 року, що надійний - на даний момент, візьміть це слово, щоб означати безпомилковий - цифровий зв'язок був можливий по довільно галасливих каналах. Саме таким результатом експлуатують сучасні системи зв'язку, і чому багато комунікаційні системи йдуть «цифровими». Модуль з інформаційної комунікації детально описує теорію інформації Шеннона, і там ми дізнаємося про результат Шеннона і як ним користуватися.

Нарешті, отримане повідомлення передається до інформаційної раковини, яка якимось чином використовує повідомлення. У моделі зв'язку джерелом є система, яка не має входу, але виробляє вихід; раковина має вхід і немає виходу.

Розуміння генерації сигналів та того, як працюють системи, означає розуміння сигналів, характеру інформації, яку вони представляють, як інформація перетворюється між аналоговими та цифровими формами та як інформація може оброблятися системами, що працюють на інформаційно-несучих сигналах. Це розуміння вимагає двох різних галузей знань. Одним з них є електронаука: Як сигнали представляються та маніпулюються електрично? Друга - наука про сигнали: Яка структура сигналів, незалежно від того, яке їх джерело, яке їх інформаційне наповнення, і які можливості ця структура надає системам зв'язку?