Podstawy teorii informacji PDF

1. Podstawy teorii informacji. Źródła wiadomości - obiekty mogące generować wiadomości Rodzaje źródeł: ciągłe, dyskretne, stacjonarne, niestacjonarne, bezpamięciowe, pamięciowe Entropia to ilość bitów potrzebna na przekazanie jednego znaku [bit/znak] Przepływność informacji opisywana z zastosowaniem...

1. Podstawy teorii informacji. Źródła wiadomości - obiekty mogące generować wiadomości Rodzaje źródeł: ciągłe, dyskretne, stacjonarne, niestacjonarne, bezpamięciowe, pamięciowe Entropia to ilość bitów potrzebna na przekazanie jednego znaku [bit/znak] Przepływność informacji opisywana z zastosowaniem entropii H wyrażana w bitach na sekundę. Ilość informacji I=log2(1/p(a)) W przypadku sygnałów zmodulowanych przesłanie jednego znaku może powodować przesłanie większej niż jeden liczby bitów. Aparat przetwórczy – urządzenia, które przetwarzają informację na sygnał i sygnał na informację. Przekazywanie informacji wymaga: - przetworzenia na sygnał, - przesłania sygnału kanałem telekomunikacyjnym, - przetworzenia sygnału na informację. Proces przekazywania dzieli się na: - przetwarzanie, - przesyłanie, - komutację. 2. Systemy telekomunikacyjne i ich cechy (definicja, przykłady, rysunki). Telegraf, telefonia, telewizja 3. Dyskretyzacja: cel, zasada przetwarzania, twierdzenia, aliasing, rysunki poglądowe. Cel: tworzenie sygnału dyskretnego, który reprezentuje sygnał ciągły za pomocą ciągu wartości zwanych próbkami. Sygnały ciągłe czasu dyskretnego. Zasada przetwarzania: do próbkowania wykorzystane są impulsy delta Diraca. W praktyce są to sygnały teoretyczne. Próbkowanie idealne (delta Diraca), próbkowanie naturalne, próbkowanie idealne z pamięcią (impulsy mają skończoną szerokość) Twierdzenia: sygnał spróbkowany w czasie może być przekształcony do postaci analogowej jeśli przy wyborze częstotliwości próbkowania spełnione zostanie twierdzenie Nyquista. Dokładne odtworzenie ciągłego sygnału o ograniczonym paśmie z jego próbek, możliwe jest przy zastosowaniu częstotliwości próbkowania równej co najmniej podwojonej najwyższej częstotliwości sygnału fp=>2*fmax Aliasing: jeśli w sygnale spróbkowanym pojawią się sygnały o częstotliwościach wyższych od częstotliwości Nyquista (fny=fp/2), to ukażą się one w sygnale odtworzonym w postaci zniekształceń i zaburzą obraz odtworzonego sygnału Rysunki poglądowe: 4. kwantyzacja: cel, zasada przetwarzania, szum kwantyzacji, rysunki poglądowe. Cel: nieodwracalny, liniowy proces przekształcania sygnału ciągłego zmniejszający dokładność danych. Sygnały dyskretne czasu ciągłego. Zasada przetwarzania: każda wartość wejściowa przetwarzanego przebiegu jest odwzorowywana przez jedną wartość wyjściową odpowiadającą danemu przedziałowi. Szum kwantyzacji: ze względu na skończoną liczbę przedziałów, wartości próbek są zaokrąglane do poziomu najbliższego, co powoduje powstanie błędu kwantyzacji zwanego szumem kwantyzacji. Rysunki poglądowe: 5. Definicja i cechy widma częstotliwościowego (amplitudowego) sygnału, szerokość pasma. Widmo częstotliwościowe – obraz sygnału w dziedzinie częstotliwości. Widmo amplitudowe i fazowe. Energia proporcjonalna do kwadratu amplitudy Periodogram – rozkład mocy lub energii na jednostkę częstotliwości. Ustalanie zakresu częstotliwości: szerokość pasma B od fmin do fmax wymagane do przesłania określonego typu sygnału. W tym celu można posłużyć się widmem amplitudowym sygnału. Często istnieje możliwość ograniczenia szerokości pasma bez wpływu na przesyłaną informację. 6. Przykłady widm amplitudowych dla znanych sygnałów w dziedzinie czasu – przykłady z wykładu. 7. Podstawowe parametry transmisji i kanałów cyfrowych (przepustowość, przepływność, bitowa stopa błędów – definicje, wzory, jednostki). Przepustowość C – maksymalna ilość informacji, jaka może być przesyłana przez dany kanał telekomunikacyjny lub łącze w jednostce czasu [bit/s] Twierdzenie Shannona-Hartleya C=B*log2(1+SNR) B – szerokość pasma Przepływność K – prędkość z jaką informacja przepływa przez pewien punkt systemu [bit/s]. K=V*log2(n) V – szybkość generowania w bodach, n – wartościowość sygnału (binarny 2) Bitowa stopa błędów BER – stosunek liczby bitów odebranych błędnie do wszystkich odebranych bitów. 8. Elektryczne i optyczne kanały telekomunikacyjne (rodzaje, właściwości, parametry itd., porównanie mediów optycznych i elektrycznych). Światłowody – wykorzystują zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia światła na granicy dwóch ośrodków, przewodzących promieniowanie optyczne. Tłumienność światłowodów jest funkcją długości fali na jakiej nadawany jest sygnał. Tłumienność torów przewodowych elektrycznych jest funkcją częstotliwości 9. Modulacja: definicje podstawowe i podział. Modulacja – proces przemieszczania informacji zawartej w jednym paśmie częstotliwości do innego. Modulacja ciągła – informacja zakodowana w sygnale zmodulowanym przesyłana jest w czasie w sposób ciągły. Modulacja impulsowa – informacja zakodowana w sygnale zmodulowanym przesyłana jest jedynie w określonych przedziałach czasowych jakie wydzielone są przez impulsy fali nośnej. 10. Zasada działania i cechy modulacji AM – szczegółowo wraz ze wzorami, przebiegami , widmami. Przebieg nośny stanowi sygnał y(t)=A*cos(2*pi*f*t). Przebieg modulujący x(t) powoduje zmiany amplitudy sygnału nośnego. Częstotliwość nośnej jest o wiele większa od częstotliwości przebiegu modulującego i należy zazwyczaj do sygnałów wysokiej częstotliwości. W przypadku najbardziej typowej dwuwstęgowej modulacji amplitudy AM DSB przyjmuje się, że sygnał modulujący ma postać: Współczynnik głębokości modulacji m można opisać zależnością: Do wyznaczenia mocy sygnału AM przyjmuje się, że: 1. Sygnał AM jest sumą trzech przebiegów harmonicznych o różnych częstotliwościach. 2. Moc wyznaczana jest na rezystancji jednostkowej. 3. Moc jest proporcjonalna do kwadratu wartości skutecznej. Zastosowanie takiej postaci sygnału modulującego x(t) powoduje: - przesunięcie widma w zakres wyższej częstotliwości, - wystąpienie widma wstęgi dolnej i górnej oraz nośnej, - rozdział przenoszonej energii na trzy wymienione zakresy. W związku z tym, że do odtworzenia sygnału modulującego wystarczy analiza jednej ze wstęg, możliwe jest usunięcie drugiej z nich oraz widma fali nośnej. W ten sposób zostanie zmniejszona szerokość zajmowanego pasma do transmisji sygnału, ale również moc sygnału zmodulowanego gwałtownie spada. 11. Modulacje ASK, FSK i PSK – opis, cechy, rysunki sygnałów, widma. ASK Opis: metoda podobna do modulacji amplitudy. Sygnał modulujący nie jest jednak sinusoidalny, a dyskretny w postaci przebiegu prostokątnego. Rysunki sygnałów i widma: Widmo zmodulowanego sygnału zawiera jedynie składowe nieparzyste. Widmo jest symetryczne względem częstotliwości nośnej, przy której występuje maksymalna amplituda. FSK Opis: szczególny przypadek modulacji częstotliwości. Sygnał modulujący jest dyskretny w postaci przebiegu prostokątnego. W metodzie przyjmuje się zależność między wartością chwilową sygnału modulującego, a częstotliwością sygnału modulowanego. Rysunki sygnałów i widma: Amplituda sygnału nośnego pozostaje bez zmian, natomiast częstotliwość zmienia się przyjmując wartości fm lub fs. W widmie występują harmoniczne parzyste oraz nieparzyste. PSK Opis: szczególny przypadek modulacji PM. Dla najprostszego rozwiązania dewiacja fazy wynosi pi radianów. Wówczas przyjmuje się zależność między wartością chwilową sygnału modulującego a fazą sygnału modulowanego. Rysunki sygnałów i widma: Amplituda sygnału nośnego pozostaje bez zmian, natomiast faza zmienia się przyjmując dwie wartości 0 lub pi. 12. Modulacje wielowartościowe (idea, metody i ich właściwości, sposób działania, konstelacje sygnałowe, przykłady). Idea: jeden stan fali nośnej przenosi więcej niż jeden bit informacji. Jest to możliwe przy wykorzystaniu metod pozwalających uzyskać większą od 1 liczbę stanów fali nośnej. W modulacji cyfrowej wielowartościowej przepływność (b/s) jest większa od szybkości zmian stanu sygnału zmodulowanego (w bodach). Metody i ich właściwości: metoda dwubitowa QPSK – kombinacje bitów przedstawiane są w sygnale zmodulowanym w postaci czterech faz sygnału harmonicznego. Można w ten sposób przesłać przez kanał telekomunikacyjny dwa razy więcej informacji. m-PSK QAM Miarą wykorzystania pasma w danym systemie modulacji jest efektywność widmowa p definiowana jako stosunek przepływności K do szerokości zajmowanego pasma B P=(V*log2(n))/B [b/s/Hz] Sposób działania: Konstelacje sygnałowe: 13. Metody z rozpraszaniem widma (cel, zasada działania, metody i cechy). Cel: uzyskiwana jest przez to mniejsza gęstość widmowa mocy, a działania takie prowadzą w konsekwencji do: większej efektywności wykorzystania pasma, wysokiej odporności na zakłócenia, zwiększenia bezpieczeństwa transmisji Zasada działania: rozpraszanie widma różnymi metodami w taki sposób, aby sygnał przypominał szum. Metody i cechy: FHSS – rozpraszanie widma ze skokową zmianą kanału. Pseudolosowy ciąg rozpraszający wykorzystywany jest do zmieniania częstotliwości, na których nadają i odbierają stacje robocze. Dopóki wszystkie stacje używają tej samej wartości początkowej dla generatora i zachowują synchronizację w czasie, będą przekazywać transmisję na te same częstotliwości. Dwie odmiany FHSS: metoda szybkich przeskoków – zmiana częstotliwości nośnej następuje wielokrotnie w czasie trwania pojedynczego bitu. Metoda wolnych przeskoków – zmiana częstotliwości nośnej następuje raz na n bitów ciągu. DSSS – metoda kluczowania bezpośredniego. W modulatorze dane przebiegu informacyjnego podlegają operacji XOR z dwójkowym ciągiem pseudolosowym. W wyniku powstaje sygnał zmieniający się szybciej niż podstawowy strumień danych o widmie wielokrotnie szerszym. Taka postać sygnału sprawia wrażenie szumu. HR/DSSS – metoda kluczowania bezpośredniego poprzez zaawansowane kodowanie. W miejsce stałego ciągu rozpraszającego używany jest ciąg, którego struktura jest zmienna. OFDM – multipleksowanie z ortogonalnym podziałem częstotliwości. Dane wejściowe rozdzielane są na N równoległych strumieni. Każdy strumień danych moduluje inną falę nośną. 14. Systemy telekomunikacyjne rozległe (budowa, schemat poglądowy, typu łączy). Budowa: zbiór węzłów, kanałów oraz łączy telekomunikacyjnych przeznaczonych do przekazywania informacji między dwoma lub większą liczbą ustalonych punktów. Do każdego urządzenia na granicy sieci podłączona jest określona liczba użytkowników. Między użytkownikiem a wymienionym urządzeniem wykorzystywane są kanały transmisji użytkowników, których przepustowość jest niska. Między węzłami sieci stosowane są natomiast szybkie kanały transmisji. Ich przepustowość jest na tyle wysoka, że teoretycznie umożliwia prowadzenie wielu transmisji danych jednocześnie. Schemat poglądowy: Typy łączy: publiczna komutowana sieć telefoniczna, sieć komputerowa, internet, sieć GSM 15. Rodzaje i zasada działania zwielokrotnienia FDM, TDM i WDM (wraz z rysunkami pomocniczymi). FDM – multipleksacja z podziałem częstotliwości – traktując sygnał zmodulowany na innej częstotliwości nośnej jako kolejny kanał, można prowadzić transmisję wielu danych w jednej chwili, w jednym medium transmisyjnym. TDM – multipleksacja z podziałem czasu – zgodnie z założoną szczeliną czasową wprowadza do toru telekomunikacyjnego fragmenty danych z poszczególnych kanałów. Szczelina czasowa jest ściśle określonym przedziałem czasowym przeznaczonym do transmisji danych z jednego kanału. WDM – multipleksacja z podziałem falowym – równoległa transmisja wielu kanałów optycznych, na różnych długościach fali w jednym włóknie światłowodowym. 16. Charakterystyka trybu połączeniowego i bezpołączeniowego transmisji danych. Tryb połączeniowy – ustawiane jest stałe połączenie między dwoma obiektami posiadające określony czas trwania. Podczas ustanawiania połączenia negocjowane są parametry transmisji. W przypadku zbyt wysokich wymogów partner może jedynie łagodzić wymagania. Ustanawiane są identyfikatory połączenia. Tryb bezpołączeniowy – przekazywanie między pojedynczych jednostek danych zwanych datagramami. Zakłada się przy tym, że partnerzy dialogu uzgodnili wcześniej parametry transmisji. Ten tryb nie gwarantuje dostarczenia informacji a w przypadku dostarczenia nie zapewnia kolejności odbioru zgodnej z kolejnością nadawania. 17. Systemy z komutacją łączy (zasada działania, rysunek, zalety, wady). Zasada działania: wykorzystuje urządzenia telekomunikacyjne, które na żądanie użytkowników zestawiają połączenie. Zestawienie połączenia polega na utworzeniu trwałego i składającego się z odrębnych fragmentów łączy telekomunikacyjnych kanału oraz przydzieleniu w nim konkretnej szczeliny czasowej. Rysunek: Zalety: wysoka jakość połączenia, małe opóźnienia Wady: wysokie koszty eksploatacji. 18. Systemy z komutacją pakietów (zasada działania, rysunek, zalety, wady). Zasada działania: każda informacja przetworzona do odpowiedniej postaci dzielona jest na określoną liczbę pakietów. Pakiet to struktura o ściśle określonej budowie, która dzieli całą przekazywaną informację na mniejsze jednostki. Nie jest tworzony kanał. Wygenerowane pakiety wysyłane są osobno, niekoniecznie tymi samymi drogami. Rysunek: Zalety: szybkie zestawienie połączenia, niskie koszty eksploatacji, większa efektywność wykorzystywania pasma. Wady: brak kolejności informacji, opóźnienia 19. Budowa i właściwości systemu radiokomunikacyjnego. Podstawowym elementem takiego systemu zarówno po stronie nadawcy jak i odbiorcy jest antena, pozwalająca na wypromieniowanie energii elektromagnetycznej oraz odebranie jej. 20. Podstawy techniki antenowej, strefa bliska, pośrednia i daleka. Antena – urządzenie, które pozwala na przejście fali z linii transmisyjnej do fali rozchodzącej się w wolnej przestrzeni. Typy anten: Dipol – antena symetryczna, składająca się z dwóch identycznych części. Unipol – antena niesymetryczna, zasilana z jednej strony. Reflektorowa – duża powierzchnia odbijająca, w porównaniu z długością fali, nosi nazwę reflektora i o wiele mniejsza antena oświetlająca reflektor. Szczelinowa – składa się z kawałka płaszczyzny przewodzącej i wyciętej w niej szczeliny. Mikropaskowa – układ pasków przewodnika naniesionych na powierzchnię jonizującą. Yagi-Uda – zbudowana z kilku rodzajów elementów. Dipol półfalowy zwany wibratorem, reflektory, direktory i przewód antenowy Strefa bliska – gromadzone są ładunki i nie ma promieniowania Strefa pośrednia – występuje fala kulista. Wektory natężenia pola elektrycznego i magnetycznego nie są do siebie prostopadłe. Analiza rozkładu pola bardzo złożona. Strefa daleka – fala ma charakter płaski. Wektory natężenia pola elektrycznego i magnetycznego są do siebie prostopadłe. 21. Charakterystyki promieniowania anten, parametry anten. Charakterystyka promieniowania anteny: graficzna prezentacja zdolności wypromieniowywania energii w różnych kierunkach. Rozkład natężenia pola elektrycznego E na powierzchni kuli o bardzo dużym promieniu, w której środku umieszczona jest antena. Kształt takiej charakterystyki nie zależy od odległości od anteny a jedynie od kątów fi i eta. Charakterystyka obejmuje zazwyczaj jedynie amplitudę pola elektrycznego. Parametry anten: Kierunek maksymalnego promieniowania – kierunek w przestrzeni, w którym promieniowanie jest największe. Wiązka główna – wiązka zawierająca kierunek maksymalnego promieniowania. Każdy obszar promieniowania nazywa się wiązką. Wiązki boczne i wsteczne – wszystkie wiązki poza wiązką główną. Są zazwyczaj niekorzystnymi obszarami promieniowania. Kąt połowy mocy HP – kąt w wiązce głównej między punktami, dla których gęstość promieniowania spada o połowę (3dB). Kierunkowość – zdolność anteny do koncentrowania energii w jednym wyróżnionym kierunku kosztem innych kierunków. Gęstość promieniowania – moc wysyłana w danym kierunku w jednostce kąta bryłowego [W/sr]. Zysk kierunkowy anteny – stosunek gęstości promieniowania w danym kierunku do uśrednionej gęstości promieniowania. Zysk energetyczny anteny – stosunek gęstości promieniowania w danym kierunku do gęstości promieniowania anteny izotropowej 22. Propagacja fali w wolnej przestrzeni (I-sza strefa Fresnela). Elipsoida obrotowa, w której ogniskach umieszczone są anteny nadawcza i odbiorcza. d – odległość między antenami, f – częstotliwość fali Dla łączy o podwyższonej jakości przestrzeń 1-szej strefy Fresnela musi być całkowicie wolna. Dla normalnej transmisji wolne od środka strefy musi być minimum 60%. 23. Bilans energetyczny łącza radiowego – wzory Friisa „zwykły” i logarytmiczny. Zwykły Logarytmiczny 24. Fala przyziemna (fala powierzchniowa i przestrzenna). Fala przyziemna – fala rozchodząca się blisko powierzchni ziemi. Fala powierzchniowa – fala propagująca na granicy powietrze-ziemia. Propagacja zależy zatem od parametrów powierzchni ziemi, struktury, temperatury i wilgotności gleby oraz częstotliwości fali. Powstaje ona gdy anteny umieszczone są na wysokości, która nie przekracza długości fali. Fala przestrzenna – fala, do której propagacji użyto anteny na wysokości kilku długości fal. Posiada ona składową bezpośrednią i odbitą 25. Fala troposferyczna (ogólna charakterystyka troposfery, horyzont radiowy i optyczny, przyczyna zwiększenia zasięgu transmisji przez troposferę). Troposfera: dolna warstwa atmosfery. Skład troposfery jest stały oprócz zawartości pary wodnej. Współczynnik refrakcji n Horyzont radiowy: zasięg stacji przy ustalonej wysokości anten. Posiada wartość o około 15% większą od horyzontu optycznego. Horyzont optyczny: horyzont, zauważalny dla człowieka zależnie od wysokości, na której się znajduje. Przyczyna zwiększenia zasięgu transmisji przez troposferę: