СВЯЗЬ И ЕЕ ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Глава 1
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ, ИНФОРМАЦИЯ, УПРАВЛЕНИЕ
СВЯЗЬ И ЕЕ ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Интеллектуальная деятельность человека, работа технических средств автоматики, связи, компьютерной техники и других устройств связаны с хранением, переработкой и передачей различных сообщений: речевых, текстовых, аудио- и видеоизображений и т.д. Сведения, как содержащиеся в таких сообщениях, так и получаемые с помощью средств связи, являются информацией. Информацию, еще не усвоенную и необработанную пользователем, циркулирующую в каналах связи, вычислительных системах, устройствах, аппаратуре технических систем называют данными. Физические возмущения в средах, цепях, имеющие вид волновых процессов и обеспечивающие передачу информации, представляют собой сигналы. Сообщения и сигналы подразделяют на непрерывные и дискретные. Непрерывные сигналы называют аналоговыми, дискретные - цифровыми.
Существуют различные виды связи, обеспечивающие передачу информации в аналоговой и дискретной формах. Информация в аналоговой форме передается, как правило, с помощью микрофона и воспринимается абонентом через телефон или громкоговоритель. Информация в дискретной форме передается средствами телеграфной связи и различными системами передачи данных. Факсимильная (фототелеграфная) связь является разновидностью систем передачи данных и обеспечивает передачу неподвижных изображений с помощью специальных фотоэлектромеханических преобразователей.
В общем виде связь осуществляется следующим образом. Отправитель посылает сообщение на передающее устройство. Здесь сообщение превращается в электрический сигнал. Между сообщением и сигналом должно быть однозначное соответствие для того, чтобы на приемном устройстве сигнал мог быть снова превращен в сообщение, соответствующее переданному. Это обратное превращение выполняется приемником. При этом главным требованием является тождественность (совпадение) принятого и переданного сообщений. На практике выполнить это требование в полной мере не всегда удается из-за наличия искажений (помех). Помехи бывают как внешние, так и внутренние (например, тепловой шум элементов электронной схемы).
Передатчик и приемник связаны между собой линией связи, роль которой могут выполнять пара проводов или любая среда, по которой электромагнитные волны распространяются от передатчика к приемнику.
Структурная схема односторонней связи между двумя абонентами приведена на рис. 1.1. Таким образом, в общем виде система связи представляет собой совокупность технических средств: передатчика, линий связи и приемника, обеспечивающих передачу и прием сообщений.
Рис. 1.1. Структурная схема связи между абонентами
Основным компонентом системы связи является ее сеть, по которой обеспечивается связь между любыми двумя абонентами. Как правило, применяют радиальную структуру сети, при которой абоненты данной территориальной группы соединены линиями связи с коммутационным узлом, а узлы - магистральными линиями соответствующей пропускной способности. Структура сети связи должна обеспечивать достаточный запас живучести, т.е. в случае перегрузки или выхода из строя тех или иных участков сети должна предусматриваться возможность направления потока информации по обходным путям.
Важной характеристикой качества связи является достоверность, т.е. соответствие принятого сообщения переданному. Достоверность связи оценивается для различных способов передачи информации по-разному. Количественной оценкой достоверности передачи речевых сообщений по сетям телефонной и радиосвязи является артикуляция (разборчивость). Разборчивость при телефонной связи определяют величиной затухания тракта между абонентами, уровнем шумов и рядом других показателей; при радиосвязи - отношением уровня полезного сигнала к уровню помех и т.д.
На практике применяют общий подход к оценке достоверности связи, заключающийся в принятии некоторого уровня связи за эталонный, при повышении которого реального улучшения качества приема не происходит. При уровне ниже эталонного качество связи резко уменьшается, что, в свою очередь, приводит к увеличению времени на передачу информации:
где Vо- исходный объем передаваемой информации; со - скорость передачи информации, при которой соблюдается эталонная достоверность связи; tу - коэффициент, учитывающий увеличение времени на передачу информации.
Для оценки достоверности передачи речевой информации применяется фразовая артикуляция, так как именно фразы содержат в себе законченные мысли. Если фразовая артикуляция будет меньше Jа = 0,9, то абоненты не смогут установить взаимно понятного контакта, и разговор не состоится. Фразовая артикуляция Jа = 0,9 соответствует слоговой артикуляции Sа = 0,25, словесной Wа = 0,75, звуковой Dа = 0,64.
Для обеспечения заданной артикуляции при передаче речи к линиям связи предъявляются определенные требования на допустимое значение затухания (ослабление передаваемых электрических сигналов). В соответствии с этими требованиями возможно обеспечение связи между абонентами, удаленными друг от друга на расстояние до 20 км по проводу диаметром 0,5 мм.
Разборчивость речи при использовании громкоговорящей связи (в частности, на месте тушения пожара) считается:
• удовлетворительной, если фразовая разборчивость не ниже 89 %. Разборчивость будет достаточной, если передача информации повторяется несколько раз;
• хорошей, если фразовая разборчивость выше 93 %;
• отличной, если фразовая разборчивость выше 97 %.
При передаче речевой информации по радиоканалам фразовая разборчивость характеризуется отношением сигнала к шуму на выходе приемника.
достоверность при передаче телеграфных сообщений и передаче данных определяется коэффициентом ошибок - средним значением отношения количества неправильно принятых знаков к общему количеству переданных.
Если при передаче текста имеется возможность устранить ошибки по смыслу, то при передаче цифровой информации (если отсутствуют специальные устройства) такой возможности нет.
Увеличение времени на передачу цифровой информации по телеграфным каналам
где Р - вероятность появления ошибки.
При передаче цифровой информации в сообщение может вноситься определенная избыточность, позволяющая на приемном конце выявить ошибки. Следовательно, объем передаваемых сообщений определяется как
где Vо - исходный объем сообщений; Vизб - объем вносимой избыточности для определения ошибок на приемном конце; Vповт - объем повторно передаваемой информации при обнаружении ошибки на приемном конце. Объем вносимой избыточности полностью определяется исходным объемом сообщений и способом кодирования.
Другой важной характеристикой связи является эффективность функционирования сети связи, т.е. возможность передачи любого сообщения с заданными временем «чистой» передачи Тп (полезным временем передачи) и величиной непроизводительных затрат времени Тн. На показатель эффективности функционирования воздействует ряд случайных факторов: количество поступивших вызовов, свободных и занятых приборов соединительных путей, поведение абонентов, надежность аппаратуры и
т.д. В связи с этим вводится вероятностный показатель, равный отношению
Тогда эффективность функционирования сети связи можно выразить через математическое ожидание отношения величины Тni к общему времени доставки информации Тдi = Тni + Тнi,
(1.1)
где Рi - вероятность i-го состояния сети связи; п - число возможных состояний; Тni, Тнi - соответственно полезное время передачи информации отправителя к излучателю и непроизводительные затраты времени в i-м состоянии сети связи. Эта характеристика является особенно важной для связи в пожарной охране, где требуется обеспечение высокой оперативности в управлении силами и средствами при тушении пожаров.
При Е = 1 непроизводительные затраты времени равны нулю во всех состояниях сети (Тн = 0; Рi = 1), и сеть абсолютно эффективна; при Е = 0 передача информации во всех состояниях сети невозможна (Тп = 0; Рi = 1).
Формула (1.1) характеризует эффективность связи при заданном объеме подлежащих передаче сообщений. Однако если задано время передачи информации, то будет справедливо выражение
(1.2)
где Vпi = TniCi - объем сообщений, который был бы передан за время Тпi - переданный (принятый) объем сообщений (полезный объем); Сi - текущая скорость передачи информации.
Показатель эффективности при заданном времени передачи информации
(1.3)
Приведенные выражения для эффективности связи пригодны в тех случаях, когда на время доставки (передачи) информации не накладываются какие-либо ограничения.
В пожарной охране на время доставки информации накладывается ограничение, так как превышение времени заданной величины может привести к чрезвычайно ощутимым потерям от пожара. Поэтому важной для пожарной охраны является характеристика оперативности связи Q.
Оперативность связи - это вероятность того, что информация от отправителя к получателю будет передана за время, не превышающее заданное:
(1.4)
где Топ - заданная величина времени, определяющая оперативность связи; Р - вероятность того, что информация может быть передана в течение заданного времени. При Топ ® ∞ Q асимптотически стремится к единице,
т.е.
с другой стороны, при Топ = 0
так как никакая информация без потерь передана быть не может. Таким образом, вероятность передачи информации за отрезок времени Топ < Т п + tт равна нулю, т.е.
где tт - требуемое время для успешного решения оперативных задач в данной ситуации.
Минимальное значение вероятности Q соответствует передаче информации в минимально короткие сроки (т.е. условными потерями времени, не превышающими tт и при отсутствии явных потерь):
(1.5)
Отсюда следует, что при прочих равных условиях та система связи является лучшей, у которой вероятность передачи информации в минимально возможные сроки имеет большее значение.
Сообщение обладает определенным временем ценности Тц . Для оперативной связи в пожарной охране этот параметр имеет важное значение. Практически вся оперативная информация в условиях организации тушения пожара быстро стареет и теряет свою ценность. В связи с этим необходимо стремиться к соблюдению условия
(1.6)
Оперативность связи может быть интерпретирована как вероятность передачи информации за время, в течение которого ценность ее положительная (Топ << Тц). Эффективность связи тем выше, чем больше Роп, при меньшем значении Топ. И действительно, чем меньше величина Топ тем, как правило, большую ценность имеет переданная информация, а чем больше при этом вероятность передачи информации за время, не превышающее Топ тем больший положительный эффект достигается от использования данной системы связи.
При установлении связи между абонентами задействуется некоторое количество различных элементов и приборов, обладающих определенной надежностью. Поэтому имеется вероятность того, что на заданном отрезке времени связь может прерваться из-за отказа какого-либо элемента или составного звена системы связи. Более подробно вопросы надежности будут рассмотрены в гл. 8.