Транспортування інформації

Обмін інформацією є процесом транспортування даних, в яких вона міститься. Цей процес передбачає наявність, окрім самих даних, ще трьох компонентів – відправника (передавача, джерела) даних, їх приймача та середовища, придатного для пересилання повідомлення, яке містить інформацію.

Інформація передається у формі повідомлень від деякого джерела інформації до її приймача за допомогою каналу зв'язку між ними. Матеріальним носієм інформації є сигнал. Джерело надсилає повідомлення, яке кодується і у вигляді сигналу передається за каналом зв'язку до приймача, де декодується і перетворюється на прийняте повідомлення (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Процес передачі інформації каналом зв’язку

Джерелами інформації можуть бути довільні об'єкти реального світу, які мають певні властивості чи здібності. Якщо об'єкт належить до неживої природи, то він виробляє сигнали, що безпосередньо відбивають його властивості. Якщо джерелом інформації є людина, то сформовані сигнали можуть, окрім відбиття її властивостей, відображувати знаки, генеровані людиною для обміну інформацією.

Передача інформації здійснюється різними способами: за допомогою кур'єра, пошти чи дистанційної передачі за каналами зв'язку. Дистанційна передача по каналах зв'язку скорочує час передачі даних. Для її здійснення необхідні спеціальні технічні засоби. Деякі технічні засоби, автоматично збираючи інформацію з датчиків, встановлених на робочих місцях, передають її в ЕОМ.

Канали (фізичні середовища) передачі даних поділяються на відкриті і закриті. В закритому каналі розповсюдження сигналів обмежене даним каналом, і, нехтуючи незначними витоками, можна стверджувати, що сигнал не виходить за межі середовища передачі. Прикладами закритих середовищ передачі сигналів є пара дротів, коаксіальний чи волоконно-оптичний кабель, хвильовід тощо.

Відкриті середовища передачі часто називають бездротовими; їх прикладами є атмосфера (повітря), море, океан, космічний простір тощо. У відкритих середовищах сигнали, що випромінюються джерелом, розповсюджуються у різні боки, послаблюючись в міру віддалення від нього і піддаючись дії природних завад. Відкриті середовища використовуються у багатьох радіочастотних системах передачі даних – високочастотних (короткохвильових, КХ), радіорелейних, супутникових, щільникових тощо. Хвилі КХ діапазону (3 – 30 МГц) можуть розповсюджуватися по поверхні Землі (до 600 км) чи відбиваючись від неї та шарів йоносфери. Радіорелейні системи працюють в УКХ (УВЧ) діапазоні і забезпечують вузькоспрямовану передачу інформації за системою «точка-точка»; супутникові системи передають інформацію у багатьох напрямках.

Нині для передачі інформації на великі відстані використовуються виключно електромагнітні хвилі, оскільки акустичні здатні розповсюджуватися лише на незначні відстані. Пересилання електромагнітних хвиль може здійснюватися по мідних проводах, оптоволоконному кабелю або бездротовим способом безпосередньо за схемою передавач-приймач з використанням антен. Антена є ефективною у випадку свіврозмірності її розмірів із довжиною передаваної хвилі. Чим ширше динамічний діапазон передаваних частот, тим важче зробити ефективну антену. Саме з цієї причини для передачі використовуються частоти, від сотень кілогерц і вище (довжина хвиль сотні метрів і менше). Передача сигналу безпосередньо по променю лазера обмежена відстанями 100-3000 м і стає нестійкою за наявності опадів навіть для інфрачервоних довжин хвиль. Людина сприймає акустичні коливання в діапазоні 20-12000 Гц, і саме цей діапазон частот потрібний для пересилання звуку (наприклад, у телефонії). Динамічний діапазон частот в цьому випадку дорівнює 600, а для високоякісного відтворення звуку - в два рази ширше. При вирішенні цієї проблеми використовується перетворення частот і різні методи модуляції. Той самий частотний діапазон, але в межах (100 - 100,012) Мгц, відповідає динамічному діапазону 0,012%, що дає змогу зробити компактну антену і спростити частотне виділення сигналу.

Канали передачі повідомлень характеризуються пропускною здатністю й завадостійкістю. Пропускна здатність каналу визначається максимальною кількістю символів, переданих по ньому у відсутності перешкод. Ця характеристика залежить від фізичних властивостей каналу. Для підвищення завадостійкості каналу застосовуються спеціальні методи передачі повідомлень, що зменшують вплив шумів. Наприклад, вводять зайві символи. Ці символи не несуть дійсного змісту, але використовуються для контролю правильності повідомлення при одержанні.

Канали передачі даних діляться на симплексні (з передачею інформації тільки в один бік (телебачення)) і дуплексні (по яких можливо передавати інформацію в обох напрямках (телефон, телеграф)). По каналу можуть одночасно передаватися кілька повідомлень. Кожне із цих повідомлень виділяється (відокремлюється від інших) за допомогою спеціальних фільтрів. Наприклад, можлива фільтрація за частотою переданих повідомлень, як це робиться в радіоканалах.

Передача інформації може здійснюватися як в аналоговій, так і в цифровій формі. У випадку передачі інформації у аналоговій формі для забезпечення інформаційної навантаженості передавального сигналу застосовується перемноження частот несучого та інформаційного сигналу з реалізацією амплітудної, частотної, фазової модуляції чи їх комбінації. Пристрій, який реалізує модуляцію сигналу, називається модулятором. При отриманні інформації здійснюється зворотна операція – демодуляція, а пристрій відповідно називають демодулятором.

Вибір типу модуляції залежить від завдання, що стоїть, і від характеристик каналу (смуги пропускання, ослаблення сигналу тощо). Частотна модуляція менш чутлива до амплітудних флуктуацій сигналу. Ослаблення сигналу може змінюватися в часі внаслідок змін у транспортному середовищі, що доволі типово для комутованих телефонних мереж. У будь-якому випадку на передавальній стороні потрібен модулятор, а на приймальній - демодулятор. Оскільки обмін зазвичай двонаправлений, ці пристрої об'єднуються в одному, який називають модемом.

Системи передачі даних із амплітудною або частотною модуляцією є аналоговими системами, що зумовлює їх високу чутливість стосовно шумів на вході приймача. Застосування цифрових методів пересилання інформації збільшує ймовірність коректної доставки. Якщо для аналогової передачі потрібне відношення сигнал/шум на рівні 40-60 дБ, то за цифрової достатньо 10-12 дБ. Оскільки нині більшість інформаційних повідомлень пересилається каналами зв’язку саме у цифровій формі, то під передачею даних переважно розуміють процес обміну даними у двійковій формі між двома чи більше точками [109, с. 17]. Такий обмін даними може бути реалізований довільною системою їх передачі із двома станами. Ці два стани можуть реалізовуватися завдяки примусовому наданню певним характеристикам середовища протилежних станів, наприклад, «горить / не горить» (як в світловій сигналізації давніх греків), «включено / виключено», як в телеграфі, «плюс / мінус» (струм різної полярності), «0 / 1» (комп’ютер) тощо. Історично першою електричною системою передачі даних з двома станами був телеграф Морзе.

Інформацію для людей і машин слід представляти по різному. Наприклад, люди легко розпізнають друковані символи чи звуки, у той час як у машинах для цього потрібні складні і дорогі пристрої. Водночас машини, на відміну від людей, легко обробляють довгі послідовності двійкових цифр. Передача цих послідовностей може здійснюватися завданням для 0 та 1 двох різних значень напруги (0,8 В для 0 (біт у «низькому» (L) стані) та 2,4 В для 1 (біт у «високому» (Н) стані)) чи різними частотами, фазами або амплітудами сигналу. Тому передача даних у сучасних системах комунікації вимагає перетворення даних з форми, зручної для людини, у форму, зручну для машини (передавача) і каналу зв’язку на стороні передавача і навпаки – на стороні приймача. Ці процеси називають у передачі даних кодуванням і декодуванням, а пристрої, які їх реалізують – кодерами і декодерами.

Коди у сучасних комунікаційних системах - це стандартні співвідношеннями між сигналами та символами, де під символами розуміють літери, цифри, знаки пунктуації тощо, тобто інформаційні елементи зручного для людини вербального представлення інформації, а під сигналами – форми представлення символів, які передаються за каналами зв’язку (крапки та тире в коді Морзе, послідовності нулів та одиниць у сучасних інфокомунікаційних системах тощо). Сучасні системи зв’язку використовують стандартні коди, які дають змогу представити всі друковані символи, здійснити контроль і коригування помилок та форматування[2], а також забезпечують можливість декодування сигналу незалежно від правильності передавання чи прийому попередніх порцій інформації [109, с. 29]. Найвідомішими з цих кодів є ССІТТ 2 (для передачі телексних повідомлень), EBCDIC (для синхронних систем зв’язку), ASCII(для цифрових мереж) та багато інших.

У загальному випадку у структурі системи передачі (транспортування) даних можна виділити три основні компоненти: передавач (джерело даних), приймач і середовище, по якому здійснюється передача даних. Це середовище називають трактом (каналом) передачі даних, чи каналом зв’язку (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Структура системи транспортування даних

Термінальне обладнання (термінальні пристрої пристрій підготовки даних ТПД) – це джерело (передавач) даних з одного боку каналу зв’язку, і приймач – з другого. Використовуючи пристрої обробки інформації ПОІ, ТПД передають і / чи приймають дані. ПОІ – це пристрої, які перетворюють дані з форми, у якій їх генерує передавач чи сприймає приймач, у форму, зручну для передачі по каналу зв’язку. У випадку, коли в якості каналу виступає мовний телефонний канал, роль ПОІ відіграє модем. ПОІ разом з каналом зв’язку забезпечують транспортування інформації від передавача до приймача. Останній може або безпосередньо використовувати отриману інформацію, або перетворювати її у форму, зручну для представлення людині. Якщо як приймання, так і передавання інформації може забезпечуватися одними й тими самими пристроями, то такі системи передачі даних називаються двобічними, чи напівдуплексними.

Система передачі даних має забезпечувати безпомилкове транспортування даних від джерела до приймача, тобто транспортування, за якого прийнятий сигнал буде ідентичний (в межах допустимої похибки) переданому. Набір правил та процедур, який має виконуватись програмним та апаратним забезпеченням системи передачі даних, називають протоколом. Прості протоколи забезпечують виявлення помилок передачі даних, складні, як, наприклад, в системах супутникового зв’язку – не лише виявлення, а й корекцію помилок.