يحدث نقل المعلومات من المصدر إلى المتلقي (المتلقي) للمعلومات. مصدريمكن أن تكون المعلومات أي شيء: أي كائن أو ظاهرة ذات طبيعة حية أو غير حية. تتم عملية نقل المعلومات في بيئة مادية معينة تفصل بين مصدر المعلومات ومتلقيها، وهو ما يسمى قناة نقل المعلومات. يتم نقل المعلومات عبر القناة في شكل تسلسل معين من الإشارات والرموز والعلامات التي تسمى رسالة. متلقيالمعلومات هي كائن يتلقى رسالة، مما يؤدي إلى تغييرات معينة في حالته. كل ما سبق موضح بشكل تخطيطي في الشكل.

نقل المعلومات

يتلقى الإنسان المعلومات من كل ما يحيط به عن طريق الحواس: السمع، البصر، الشم، اللمس، التذوق. يتلقى الإنسان أكبر قدر من المعلومات من خلال السمع والبصر. يتم إدراك الرسائل الصوتية عن طريق الأذن - الإشارات الصوتية في وسط مستمر (في أغلب الأحيان في الهواء). تدرك الرؤية الإشارات الضوئية التي تنقل صور الأشياء.

ليست كل رسالة مفيدة لشخص ما. على سبيل المثال، رسالة بلغة غير معروفة، على الرغم من نقلها إلى شخص ما، إلا أنها لا تحتوي على معلومات عنه ولا يمكن أن تسبب تغييرات كافية في حالته.

يمكن أن تكون قناة المعلومات ذات طبيعة طبيعية (الهواء الجوي الذي تنتقل من خلاله الموجات الصوتية، أو ضوء الشمس المنعكس من الأجسام المرصودة) أو يتم إنشاؤها بشكل مصطنع. في الحالة الأخيرة نحن نتحدث عن وسائل الاتصال التقنية.

أنظمة نقل المعلومات التقنية

كانت أول وسيلة تقنية لنقل المعلومات عبر مسافة هي التلغراف، الذي اخترعه الأمريكي صامويل مورس عام 1837. في عام 1876م اخترع الأمريكي أ. بيل الهاتف. بناءً على اكتشاف الموجات الكهرومغناطيسية من قبل الفيزيائي الألماني هاينريش هيرتز (1886)، أ.س. بوبوف في روسيا عام 1895 وفي نفس الوقت تقريبًا معه في عام 1896 على يد جي ماركوني في إيطاليا، تم اختراع الراديو. ظهر التلفاز والإنترنت في القرن العشرين.

تعتمد جميع الطرق التقنية المدرجة لتوصيل المعلومات على إرسال إشارة مادية (كهربائية أو كهرومغناطيسية) عبر مسافة وتخضع لقوانين عامة معينة. تتم دراسة هذه القوانين نظرية الاتصال، والتي نشأت في عشرينيات القرن العشرين. الجهاز الرياضي لنظرية الاتصال - النظرية الرياضية للاتصالاتالتي طورها العالم الأمريكي كلود شانون.

كلود إلوود شانون (1916–2001)، الولايات المتحدة الأمريكية

اقترح كلود شانون نموذجا لعملية نقل المعلومات عبر قنوات الاتصال التقنية ممثلة بالرسم البياني.

نظام نقل المعلومات التقنية

ويشير التشفير هنا إلى أي تحويل للمعلومات الواردة من مصدر إلى شكل مناسب لنقلها عبر قناة اتصال. فك التشفير - عكس تحويل تسلسل الإشارة.

يمكن شرح تشغيل مثل هذا المخطط باستخدام عملية التحدث عبر الهاتف المألوفة. مصدر المعلومات هو الشخص المتحدث. جهاز التشفير عبارة عن ميكروفون للهاتف يتم من خلاله تحويل الموجات الصوتية (الكلام) إلى إشارات كهربائية. قناة الاتصال هي شبكة الهاتف (الأسلاك ومفاتيح عقد الهاتف التي تمر عبرها الإشارة). جهاز فك التشفير هو سماعة الهاتف (سماعة) الشخص المستمع - مستقبل المعلومات. هنا يتم تحويل الإشارة الكهربائية الواردة إلى صوت.

تعمل أنظمة نقل المعلومات الحاسوبية الحديثة - شبكات الكمبيوتر - على نفس المبدأ. هناك عملية تشفير تقوم بتحويل كود الكمبيوتر الثنائي إلى إشارة مادية من النوع الذي يتم إرساله عبر قناة اتصال. يتضمن فك التشفير تحويل الإشارة المرسلة مرة أخرى إلى رمز الكمبيوتر. على سبيل المثال، عند استخدام خطوط الهاتف في شبكات الكمبيوتر، يتم تنفيذ وظائف التشفير وفك التشفير بواسطة جهاز يسمى المودم.

سعة القناة وسرعة نقل المعلومات

يتعين على مطوري أنظمة نقل المعلومات التقنية حل مشكلتين مترابطتين: كيفية ضمان أعلى سرعة لنقل المعلومات وكيفية تقليل فقدان المعلومات أثناء النقل. كان كلود شانون أول عالم يتعامل مع هذه المشكلات ويبتكر علمًا جديدًا في ذلك الوقت - نظرية المعلومات.

حدد K. Shannon طريقة لقياس كمية المعلومات المنقولة عبر قنوات الاتصال. لقد قدموا هذا المفهوم سعة القناة,كأقصى سرعة ممكنة لنقل المعلومات.يتم قياس هذه السرعة بالبت في الثانية (كذلك كيلوبت في الثانية، ميغابت في الثانية).

تعتمد قدرة قناة الاتصال على تنفيذها الفني. على سبيل المثال، تستخدم شبكات الكمبيوتر وسائل الاتصال التالية:

خطوط الهاتف,

توصيل الكابلات الكهربائية,

اتصالات كابلات الألياف الضوئية,

الاتصالات اللاسلكية.

تبلغ سعة خطوط الهاتف عشرات ومئات كيلوبت في الثانية؛ يتم قياس سعة خطوط الألياف الضوئية وخطوط الاتصالات الراديوية بعشرات ومئات ميجابت/ثانية.

الضوضاء، الحماية من الضوضاء

يشير مصطلح "الضوضاء" إلى أنواع مختلفة من التداخل الذي يشوه الإشارة المرسلة ويؤدي إلى فقدان المعلومات. ينشأ هذا التداخل في المقام الأول لأسباب فنية: رداءة جودة خطوط الاتصال، وانعدام الأمن لتدفقات المعلومات المختلفة المنقولة عبر نفس القنوات من بعضها البعض. في بعض الأحيان، عند التحدث على الهاتف، نسمع ضوضاء أو أصوات طقطقة تجعل من الصعب فهم المحاور، أو يتم فرض محادثتنا من خلال محادثة أشخاص مختلفين تمامًا.

يؤدي وجود الضوضاء إلى فقدان المعلومات المرسلة. في مثل هذه الحالات، الحماية من الضوضاء ضرورية.

بادئ ذي بدء، يتم استخدام الأساليب التقنية لحماية قنوات الاتصال من الضوضاء. على سبيل المثال، استخدام كابل محمي بدلاً من الأسلاك العارية؛ استخدام أنواع مختلفة من المرشحات التي تفصل الإشارة المفيدة عن الضوضاء، وما إلى ذلك.

تم تطويره بواسطة كلود شانون نظرية الترميز، وإعطاء طرق مكافحة الضوضاء. ومن الأفكار المهمة لهذه النظرية أن الكود المنقول عبر خط الاتصال يجب أن يكون متكرر. ونتيجة لذلك، يمكن تعويض فقدان جزء من المعلومات أثناء الإرسال. على سبيل المثال، إذا كنت تعاني من صعوبة في السمع عند التحدث على الهاتف، فمن خلال تكرار كل كلمة مرتين، لديك فرصة أفضل لأن يفهمك الشخص الآخر بشكل صحيح.

ومع ذلك، لا ينبغي أن يكون التكرار كبيرًا جدًا. سيؤدي ذلك إلى تأخيرات وارتفاع تكاليف الاتصال. تسمح لك نظرية الترميز بالحصول على الكود الأمثل. في هذه الحالة، سيكون تكرار المعلومات المرسلة هو الحد الأدنى الممكن، وستكون موثوقية المعلومات المستلمة هي الحد الأقصى.

في أنظمة الاتصالات الرقمية الحديثة، غالبًا ما يتم استخدام التقنية التالية لمكافحة فقدان المعلومات أثناء الإرسال. الرسالة بأكملها مقسمة إلى أجزاء - الحزم. لكل حزمة يتم حسابها مبلغ الشيك(مجموع الأرقام الثنائية)، والتي يتم إرسالها مع هذه الحزمة. في موقع الاستقبال، تتم إعادة حساب المجموع الاختباري للحزمة المستلمة، وإذا لم يتطابق مع المجموع الأصلي، يتم تكرار إرسال هذه الحزمة. سيحدث هذا حتى يتطابق المجموع الاختباري للمصدر والوجهة.

عند النظر في نقل المعلومات في دورات علوم الكمبيوتر التمهيدية والأساسية، أولا وقبل كل شيء، ينبغي مناقشة هذا الموضوع من موقف الشخص كمتلقي للمعلومات. إن القدرة على الحصول على المعلومات من العالم المحيط هي أهم شرط لوجود الإنسان. أعضاء الحس البشري هي قنوات معلومات لجسم الإنسان تتواصل بين الإنسان والبيئة الخارجية. وبناءً على هذا المعيار، تنقسم المعلومات إلى بصرية، وسمعية، وشمية، وملموسة، وذوقية. الأساس المنطقي لحقيقة أن التذوق والشم واللمس يوفر معلومات للشخص هو كما يلي: نتذكر روائح الأشياء المألوفة، وطعم الطعام المألوف، ونتعرف على الأشياء المألوفة عن طريق اللمس. ومحتويات ذاكرتنا هي معلومات مخزنة.

يجب أن يقال للطلاب أن الدور المعلوماتي للحواس في عالم الحيوان يختلف عن الدور الذي يلعبه البشر. تؤدي حاسة الشم وظيفة معلوماتية مهمة بالنسبة للحيوانات. تستخدم وكالات إنفاذ القانون حاسة الشم المتزايدة لكلاب الخدمة للبحث عن المجرمين واكتشاف المخدرات وما إلى ذلك. ويختلف الإدراك البصري والسمعي للحيوانات عن إدراك البشر. على سبيل المثال، من المعروف أن الخفافيش تسمع الموجات فوق الصوتية، والقطط ترى في الظلام (من وجهة نظر الإنسان).

في إطار هذا الموضوع، ينبغي أن يكون الطلاب قادرين على إعطاء أمثلة محددة لعملية نقل المعلومات، وتحديد لهذه الأمثلة مصدر المعلومات، ومستقبلها، والقنوات المستخدمة لنقل المعلومات.

عند دراسة علوم الكمبيوتر في المدرسة الثانوية، يجب تعريف الطلاب بالمبادئ الأساسية لنظرية الاتصالات التقنية: مفاهيم التشفير وفك التشفير وسرعة نقل المعلومات وسعة القناة والضوضاء والحماية من الضوضاء. يمكن النظر في هذه القضايا في إطار موضوع "الوسائل التقنية لشبكات الكمبيوتر".

محاضرة رقم 4 نقل المعلومات

مخطط نقل المعلومات. قناة نقل المعلومات. سرعة نقل المعلومات.

هناك ثلاثة أنواع من عمليات المعلومات: التخزين والنقل والمعالجة.

مخزن البيانات:

· ناقلات المعلومات.

· أنواع الذاكرة.

· مخزن المعلومات.

· الخصائص الأساسية لتخزين المعلومات.

ترتبط المفاهيم التالية بتخزين المعلومات: وسيلة تخزين المعلومات (الذاكرة)، الذاكرة الداخلية، الذاكرة الخارجية، تخزين المعلومات.

وسيلة التخزين هي وسيلة مادية تقوم بتخزين المعلومات مباشرة. الذاكرة البشرية يمكن أن تسمى الذاكرة العاملة. يتم إعادة إنتاج المعرفة المحفوظة من قبل الشخص على الفور. يمكننا أيضًا أن نطلق على ذاكرتنا الذاكرة الداخلية، حيث أن حاملها - الدماغ - يقع بداخلنا.

يمكن تسمية جميع الأنواع الأخرى من ناقلات المعلومات بأنها خارجية (بالنسبة إلى الشخص): الخشب وورق البردي والورق وما إلى ذلك. مستودع المعلومات هو معلومات منظمة بطريقة معينة على وسائط خارجية، مخصصة للتخزين طويل الأمد والاستخدام الدائم (على سبيل المثال، أرشيفات المستندات والمكتبات وخزائن الملفات). وحدة المعلومات الرئيسية للمستودع هي وثيقة مادية محددة: استبيان، كتاب، الخ. تنظيم المستودع يعني وجود هيكل معين، أي. الانتظام وتصنيف المستندات المخزنة لسهولة العمل معها. الخصائص الرئيسية لمستودع المعلومات: حجم المعلومات المخزنة، وموثوقية التخزين، ووقت الوصول (أي وقت البحث عن المعلومات الضرورية)، وتوافر حماية المعلومات.

عادةً ما تسمى المعلومات المخزنة على أجهزة ذاكرة الكمبيوتر بالبيانات. تُسمى عادةً مرافق تخزين البيانات المنظمة على أجهزة الذاكرة الخارجية للكمبيوتر قواعد البيانات وبنوك البيانات.

معالجة البيانات:

· رسم تخطيطي عام لعملية معالجة المعلومات.

· بيان مهمة المعالجة.

· تجهيز المؤدي.

· خوارزمية المعالجة.

· مهام معالجة المعلومات النموذجية.

مخطط معالجة المعلومات:

المعلومات الأولية – معالجة المؤدي – المعلومات النهائية.

في عملية معالجة المعلومات، يتم حل مشكلة معلومات معينة، والتي يمكن طرحها أولاً في شكل تقليدي: يتم تقديم مجموعة معينة من البيانات الأولية، وتكون بعض النتائج مطلوبة. عملية الانتقال من البيانات المصدر إلى النتيجة هي عملية المعالجة. يُطلق على الكائن أو الموضوع الذي يقوم بالمعالجة اسم مُؤدي المعالجة.

لإجراء معالجة المعلومات بنجاح، يجب أن يعرف المؤدي (الشخص أو الجهاز) خوارزمية المعالجة، أي. تسلسل الإجراءات التي يجب تنفيذها لتحقيق النتيجة المرجوة.

هناك نوعان من معالجة المعلومات. النوع الأول من المعالجة: المعالجة المرتبطة بالحصول على معلومات جديدة، ومحتوى معرفي جديد (حل المسائل الرياضية، وتحليل الموقف، وما إلى ذلك). النوع الثاني من المعالجة: المعالجة المرتبطة بتغيير الشكل، وليس تغيير المحتوى (على سبيل المثال، ترجمة النص من لغة إلى أخرى).

أحد الأنواع المهمة من معالجة المعلومات هو الترميز - تحويل المعلومات إلى شكل رمزي مناسب لتخزينها ونقلها ومعالجتها. يستخدم الترميز بنشاط في الوسائل التقنية للتعامل مع المعلومات (التلغراف والراديو وأجهزة الكمبيوتر). نوع آخر من معالجة المعلومات هو هيكلة البيانات (إدخال ترتيب معين في تخزين المعلومات وتصنيفها وفهرستها).

نوع آخر من معالجة المعلومات هو البحث في بعض مخازن المعلومات عن البيانات الضرورية التي تفي بشروط بحث معينة (الاستعلام). تعتمد خوارزمية البحث على طريقة تنظيم المعلومات.

نقل المعلومات:

· مصدر المعلومات ومتلقيها.

· قنوات المعلومات.

· دور أعضاء الحواس في عملية إدراك الإنسان للمعلومات.

· هيكل أنظمة الاتصالات التقنية.

· ما هو التشفير وفك التشفير.

· مفهوم الضوضاء. تقنيات الحماية من الضوضاء.

· سرعة نقل المعلومات وسعة القناة.

نظام نقل المعلومات:

مصدر المعلومات – قناة المعلومات – متلقي المعلومات.

يتم تقديم المعلومات ونقلها في شكل سلسلة من الإشارات والرموز. ومن المصدر إلى المتلقي، تنتقل الرسالة عبر بعض الوسائط المادية. إذا تم استخدام وسائل الاتصال التقنية في عملية النقل فإنها تسمى قنوات نقل المعلومات (قنوات المعلومات). وتشمل هذه الهاتف والراديو والتلفزيون. تلعب أعضاء الحس البشري دور قنوات المعلومات البيولوجية.

تتبع عملية نقل المعلومات عبر قنوات الاتصال التقنية المخطط التالي (حسب شانون):

يشير مصطلح "الضوضاء" إلى أنواع مختلفة من التداخل الذي يشوه الإشارة المرسلة ويؤدي إلى فقدان المعلومات. ينشأ هذا التدخل في المقام الأول لأسباب فنية: رداءة جودة خطوط الاتصال، وانعدام الأمن لتدفقات مختلفة من المعلومات المنقولة عبر نفس القنوات من بعضها البعض. للحماية من الضوضاء، يتم استخدام طرق مختلفة، على سبيل المثال، استخدام أنواع مختلفة من المرشحات التي تفصل الإشارة المفيدة عن الضوضاء.

طور كلود شانون نظرية تشفير خاصة توفر طرقًا للتعامل مع الضوضاء. إحدى الأفكار المهمة لهذه النظرية هي أن الكود المرسل عبر خط الاتصال يجب أن يكون زائدًا عن الحاجة. ونتيجة لذلك، يمكن تعويض فقدان جزء من المعلومات أثناء الإرسال. ومع ذلك، لا ينبغي أن يكون التكرار كبيرًا جدًا. سيؤدي ذلك إلى تأخيرات وارتفاع تكاليف الاتصالات.

عند مناقشة موضوع قياس سرعة نقل المعلومات، يمكنك استخدام تقنية القياس. التناظرية هي عملية ضخ المياه عبر أنابيب المياه. هنا قناة نقل المياه هي الأنابيب. تتميز شدة (سرعة) هذه العملية باستهلاك المياه، أي. عدد اللترات التي يتم ضخها لكل وحدة زمنية. في عملية نقل المعلومات، تكون القنوات عبارة عن خطوط اتصال تقنية. قياسا على إمدادات المياه، يمكننا التحدث عن تدفق المعلومات المنقولة عبر القنوات. سرعة نقل المعلومات هي حجم معلومات الرسالة المرسلة لكل وحدة زمنية. لذلك، فإن وحدات قياس سرعة تدفق المعلومات: البت/الثانية، البايت/الثانية، إلخ. قناة نقل عملية المعلومات

وهناك مفهوم آخر ــ قدرة قنوات المعلومات ــ يمكن تفسيره أيضاً باستخدام تشبيه "السباكة". يمكنك زيادة تدفق المياه عبر الأنابيب عن طريق زيادة الضغط. لكن هذا الطريق ليس بلا نهاية. إذا كان الضغط مرتفعًا جدًا، فقد ينفجر الأنبوب. ولذلك، فإن الحد الأقصى لتدفق المياه، والذي يمكن أن يسمى إنتاجية نظام إمدادات المياه. تتمتع خطوط اتصالات المعلومات التقنية أيضًا بحد مماثل لسرعة نقل البيانات. وأسباب ذلك جسدية أيضًا.

1. تصنيف وخصائص قناة الاتصال
وصلة هي مجموعة من الوسائل المصممة لنقل الإشارات (الرسائل).
لتحليل عمليات المعلومات في قناة الاتصال، يمكنك استخدام مخططها المعمم الموضح في الشكل. 1.

منظمة العفو الدولية

مساءً

ص

باي

ص

في التين. 1- تم اعتماد التسميات التالية: X، Y، Z، W- الإشارات والرسائل ; F- التشوش؛ مساءً- خط الاتصال؛ منظمة العفو الدولية، بي- مصدر المعلومات ومتلقيها؛ ص- المحولات (التشفير، التشكيل، فك التشفير، إزالة التشكيل).
هناك أنواع مختلفة من القنوات، والتي يمكن تصنيفها وفقًا لمعايير مختلفة:
1. حسب نوع خطوط الاتصال: سلكي؛ كابل؛ الألياف الضوئية؛
خطوط الكهرباء؛ قنوات الراديو، الخ.
2. حسب طبيعة الإشارات: مستمر؛ منفصلة؛ منفصلة - مستمرة (الإشارات عند مدخل النظام منفصلة، ​​وعند الإخراج مستمرة، والعكس صحيح).
3. من حيث الحصانة من الضوضاء: القنوات دون تدخل. مع التدخل.
وتتميز قنوات الاتصال بما يلي:
1. سعة القناة يتم تعريفه على أنه منتج وقت استخدام القناة تي إلى،عرض الطيف الترددي الذي ترسله القناة ف الىوالنطاق الديناميكي د ل. والتي تتميز بقدرة القناة على نقل مستويات الإشارة المختلفة

V ك = T ك F ك د ك.(1)
شرط مطابقة الإشارة مع القناة:
V ج £ V ك ; تي ج جنيه تي ك ; ف ج جنيه ف ك ; V ج £ V ك ; د ج جنيه د ك .
2.معدل نقل المعلومات – متوسط ​​كمية المعلومات المرسلة لكل وحدة زمنية.
3.
4. وفرة - يضمن موثوقية المعلومات المرسلة ( ر= 0¸1).
تتمثل إحدى مهام نظرية المعلومات في تحديد مدى اعتماد سرعة نقل المعلومات وقدرة قناة الاتصال على معلمات القناة وخصائص الإشارات والتداخل.
يمكن مقارنة قناة الاتصال مجازيًا بالطرق. الطرق الضيقة – سعة منخفضة، ولكنها رخيصة. توفر الطرق الواسعة سعة مرورية جيدة، ولكنها باهظة الثمن. يتم تحديد عرض النطاق الترددي من خلال عنق الزجاجة.
وتعتمد سرعة نقل البيانات إلى حد كبير على وسيلة النقل في قنوات الاتصال، والتي تستخدم أنواعًا مختلفة من خطوط الاتصال.
سلكي:
1. سلكي- الزوج الملتوي (الذي يمنع الإشعاع الكهرومغناطيسي جزئيًا من مصادر أخرى). سرعة نقل تصل إلى 1 ميجابت/ثانية. تستخدم في شبكات الهاتف ونقل البيانات.
2. كابل متحد المحور.سرعة الإرسال 10-100 ميجابت/ثانية - تستخدم في الشبكات المحلية وتلفزيون الكابل وما إلى ذلك.
3. الألياف الضوئية.سرعة النقل 1 جيجابت/ثانية.
في البيئات 1-3، يعتمد التوهين بالديسيبل خطيًا على المسافة، أي. تنخفض الطاقة بشكل كبير. لذلك، من الضروري تثبيت أجهزة التجديد (مكبرات الصوت) على مسافة معينة.
خطوط الراديو:
1. قناة الراديو.سرعة النقل 100-400 كيلوبت في الثانية. يستخدم ترددات الراديو حتى 1000 ميجا هرتز. حتى 30 ميجا هرتز، بسبب الانعكاس من طبقة الأيونوسفير، يمكن للموجات الكهرومغناطيسية أن تنتشر خارج خط الرؤية. ولكن هذا النطاق صاخب للغاية (على سبيل المثال، الاتصالات اللاسلكية للهواة). من 30 إلى 1000 ميجاهرتز - الغلاف الأيوني شفاف ويلزم الرؤية المباشرة. يتم تثبيت الهوائيات على ارتفاع (في بعض الأحيان يتم تثبيت أجهزة التجديد). تستخدم في الإذاعة والتلفزيون.
2. خطوط الميكروويف.سرعات نقل تصل إلى 1 جيجابت/ثانية. يتم استخدام ترددات الراديو فوق 1000 ميجا هرتز. وهذا يتطلب رؤية مباشرة وهوائيات مكافئة الاتجاه للغاية. المسافة بين المولدات هي 10-200 كم. تستخدم للاتصالات الهاتفية والتلفزيونية ونقل البيانات.
3. اتصال عبر الأقمار الصناعية. يتم استخدام ترددات الميكروويف، ويعمل القمر الصناعي كمجدد (للعديد من المحطات). الخصائص هي نفسها بالنسبة لخطوط الميكروويف.
2. عرض النطاق الترددي لقناة اتصال منفصلة
القناة المنفصلة عبارة عن مجموعة من الوسائل المصممة لنقل الإشارات المنفصلة.
سعة قناة الاتصال - أعلى سرعة نقل معلومات يمكن تحقيقها نظرياً، بشرط ألا يتجاوز الخطأ قيمة معينة. معدل نقل المعلومات – متوسط ​​كمية المعلومات المرسلة لكل وحدة زمنية. دعونا نحدد التعبيرات لحساب معدل نقل المعلومات وإنتاجية قناة اتصال منفصلة.
عند إرسال كل رمز، في المتوسط، تمر كمية من المعلومات عبر قناة الاتصال، والتي تحددها الصيغة
أنا (Y، X) = أنا (X، Y) = H(X) – H (X/Y) = H(Y) – H (Y/X), (2)
أين: أنا (ص، X) –المعلومات المتبادلة، أي كمية المعلومات الواردة فيها ينسبياً X;ح(س)- إنتروبيا مصدر الرسالة؛ ح(س/ص)- الإنتروبيا المشروطة، التي تحدد فقدان المعلومات لكل رمز مرتبط بوجود التداخل والتشويه.
عند إرسال رسالة اكس تيمدة تي،تتكون من نمن خلال الرموز الأولية، فإن متوسط ​​كمية المعلومات المرسلة، مع مراعاة تناظر الكمية المتبادلة من المعلومات، يساوي:
أنا (ي تي, X T) = H(X T) – H(X T /Y T) = H(Y T) – H(Y T /X T) = n . (4)
تعتمد سرعة نقل المعلومات على الخصائص الإحصائية للمصدر وطريقة الترميز وخصائص القناة.
عرض النطاق الترددي لقناة اتصال منفصلة
. (5)
أقصى قيمة ممكنة، أي. يتم البحث عن الحد الأقصى للوظيفة عبر المجموعة الكاملة من وظائف التوزيع الاحتمالي p (خ).
ويعتمد الصبيب على الخصائص التقنية للقناة (سرعة المعدات، ونوع التشكيل، ومستوى التداخل والتشويه، وما إلى ذلك). وحدات سعة القناة هي : , , .
2.1 قناة اتصال منفصلة دون تدخل
إذا لم يكن هناك أي تداخل في قناة الاتصال، فإن إشارات الإدخال والإخراج للقناة ترتبط بعلاقة وظيفية لا لبس فيها.
في هذه الحالة، الإنتروبيا المشروطة تساوي صفر، والإنتروبيا غير المشروطة للمصدر والمستقبل متساوية، أي. متوسط ​​كمية المعلومات في الرمز المستلم مقارنة بالرمز المرسل هو
أنا (X، Y) = H(X) = H(Y)؛ ح(س/ص) = 0.
لو اكس تي- عدد الأحرف في المرة الواحدة ت، فإن معدل نقل المعلومات لقناة اتصال منفصلة دون تدخل يساوي
(6)
أين الخامس = 1/- متوسط ​​معدل الإرسال لرمز واحد.
الإنتاجية لقناة اتصال منفصلة دون تدخل
(7)
لأن يتوافق الحد الأقصى للإنتروبيا مع رموز محتملة بشكل متساوٍ، فإن إنتاجية التوزيع الموحد والاستقلال الإحصائي للرموز المرسلة تساوي:
. (8)
نظرية شانون الأولى للقناة: إذا كان تدفق المعلومات الناتجة عن المصدر قريبًا بدرجة كافية من سعة قناة الاتصال، أي.
، حيث تكون قيمة صغيرة بشكل تعسفي،
عندها يمكنك دائمًا العثور على طريقة تشفير تضمن نقل جميع رسائل المصدر، وسيكون معدل نقل المعلومات قريبًا جدًا من سعة القناة.
النظرية لا تجيب على سؤال حول كيفية تنفيذ الترميز.
مثال 1.المصدر ينتج 3 رسائل مع الاحتمالات:
ع 1 = 0.1؛ ع 2 = 0.2 و ع 3 = 0.7.
الرسائل مستقلة ويتم إرسالها برمز ثنائي موحد ( م = 2) بمدة رمز تبلغ 1 مللي ثانية. تحديد سرعة نقل المعلومات عبر قناة الاتصال دون تدخل.
حل:الإنتروبيا المصدر تساوي

[أجزاء].
لإرسال 3 رسائل برمز موحد، يلزم رقمين، ومدة مجموعة الكود 2t.
متوسط ​​سرعة الإشارة
الخامس = 1/2ر = 500 .
معدل نقل المعلومات
C = vH = 500×1.16 = 580 [بت/ثانية].
2.2 قناة اتصال منفصلة مع التداخل
سننظر في قنوات الاتصال المنفصلة بدون ذاكرة.
قناة بدون ذاكرة هي قناة يتأثر فيها كل رمز إشارة مرسلة بالتداخل، بغض النظر عن الإشارات التي تم إرسالها مسبقًا. أي أن التداخل لا ينشئ اتصالات مترابطة إضافية بين الرموز. ويعني الاسم "بدون ذاكرة" أنه أثناء البث التالي، يبدو أن القناة لا تتذكر نتائج البث السابق.
في حالة وجود تداخل، متوسط ​​كمية المعلومات في رمز الرسالة المستلمة - ي، نسبة إلى المنقولة - Xيساوي:
.
لرمز الرسالة اكس تيمدة تي،تتكون من نالرموز الأولية متوسط ​​كمية المعلومات في رسالة الرمز المستلمة – واي تينسبة إلى ما تم نقله - اكس تييساوي:
I(Y T , X T) = H(X T) – H(X T /Y T) = H(Y T) – H(Y T /X T) = n = 2320 نقطة أساس
يتم تحديد سعة القناة المستمرة مع الضوضاء بواسطة الصيغة

=2322 نقطة أساس.
دعونا نثبت أن سعة المعلومات لقناة مستمرة بدون ذاكرة مع ضوضاء غوسية مضافة مع وجود قيود على قدرة الذروة لا تزيد عن سعة المعلومات لنفس القناة بنفس قيمة القيد على متوسط ​​القدرة.
توقع توزيع موحد متماثل

متوسط ​​​​المربع للتوزيع الموحد المتماثل

التشتت للتوزيع الموحد المتماثل

وفي الوقت نفسه، لعملية موزعة بشكل موحد.
الإنتروبيا التفاضلية للإشارة ذات التوزيع الموحد
.
لا يعتمد الفرق بين الإنتروبيا التفاضلية للعملية الطبيعية والموزعة بشكل موحد على حجم التشتت
= 0.3 بت/العدد
وبالتالي، فإن إنتاجية وقدرة قناة الاتصال لعملية ذات توزيع طبيعي أعلى من عملية موحدة.
دعونا نحدد سعة (حجم) قناة الاتصال
V k = T k C k = 10×60×2322 = 1.3932 ميجابت.
دعونا نحدد كمية المعلومات التي يمكن إرسالها خلال 10 دقائق من تشغيل القناة
10× 60× 2322= 1.3932 ميجابت.
مهام

عند تحليل مرور الإشارات عبر الدوائر الخطية، يمكنك استخدام الطرق المعروفة من دورة "أساسيات نظرية الدوائر".

يعتمد اختيار طريقة التحليل الأكثر ملاءمة على بنية الدائرة، ونوع الإشارة المؤثرة عليها، وكذلك على الشكل الذي يجب أن يتم به تقديم إشارة الخرج (التردد أو الوقت).

على سبيل المثال، تحليل مرور الإشارات البسيطة نسبيًا (تبديل النبضات، والتذبذبات التوافقية، وما إلى ذلك) عبر الدوائر الموصوفة بمعادلات تفاضلية خطية لا تزيد عن الدرجة الثانية، يتم إجراؤه بكل بساطة من خلال الطريقة الكلاسيكية للمعادلات التفاضلية. في الحالات التي يصعب فيها حل المعادلات التفاضلية (تأثير الإشارات المعقدة على الدوائر ذات البنية المعقدة)، فمن المستحسن استخدام طرق مثل الطيفية (المشغل) أو طريقة تكامل التراكب، على أساس مبدأ التراكب.

عند تحليل مرور الإشارات عبر أنظمة النطاق الضيق، بالإضافة إلى طرق التحليل المدرجة التي توفر حلاً دقيقًا، يتم استخدام طرق تقريبية تتيح لعدد من المشكلات الحصول على حلول قريبة جدًا من الحلول الدقيقة. يوضح الشكل أدناه بشكل تخطيطي تصنيف طرق التحليل التي تمت مناقشتها في هذا الفصل. سيتم النظر في الطرق التقريبية للتحليل (طرق الغلاف، التردد "اللحظي"، الطريقة الطيفية التقريبية) وأمثلة على استخدامها.

طرق حل المشكلات في الأنظمة الثابتة الخطية ذات المعلمات المجمعة

الطرق الدقيقة لحل المشكلات في الأنظمة الثابتة الخطية ذات المعلمات المجمعة

الطريقة الطيفية

دع الإشارة العشوائية x(t) ذات الكثافة الطيفية تعمل عند مدخل شبكة خطية ذات منفذين مع وظيفة نقل معينة:

وفقًا للطريقة الطيفية للتحليل، فإن الكثافة الطيفية للإشارة y (t) عند خرج الرباعي تساوي حاصل ضرب الكثافة الطيفية لإشارة الدخل ووظيفة النقل للدائرة، أي.

باستخدام تحويل فورييه العكسي، نحدد إشارة الخرج كدالة للوقت

الطريقة الطيفية

من مقارنة (5.16) مع (5.14) يترتب على ذلك أنه يمكن الحصول على الإشارة عند خرج شبكة خطية ذات منفذين عن طريق الجمع المكونات الطيفية الأولية لإشارة الدخل

بسعات معقدة مضروبة في الوظيفة.

وظيفة نقل الدائرة، وتحديد المساهمة النسبية

مكونات طيف إشارة الإدخال في الإشارة y (t)، أمر منطقي

وظيفة الوزن.

تمر الإشارة عبر دائرة خطية دون تشويه إذا لم يتغير شكلها، ولكنها تتغير فقط في الحجم والتحول في الوقت المناسب.

عندما تمر إشارة x (t) عبر شبكة خطية ذات منفذين، فإن الكثافة الطيفية لإشارة الخرج y (t) تساوي

تسمى التشوهات الناتجة عن اعتماد التردد لوظيفة النقل لشبكة خطية ذات منفذين بالخطية (أو التردد)

التشوهات. يمكن الحكم على طبيعة وحجم هذه التشوهات من خلال خصائص السعة وتردد الطور للدائرة، أي من خلال معامل الوظيفة ووسيطها.

عندما تمر الإشارة x(t) عبر شبكة ذات منفذين غير مشوهة، يمكن كتابة التفاعل(t) بالشكل

حيث = const - معامل التناسب، t 3 - زمن التأخير.

شروط نقل الإشارة غير المشوهة بواسطة رباعي خطي

مع الأخذ في الاعتبار خاصية الخطية والتحول الزمني، يمكن كتابة الكثافة الطيفية للتفاعل المتسلسل على النحو التالي

وبالتالي، يجب أن تحتوي الشبكة ذات الأربعة منافذ غير المشوهة على وظيفة نقل النموذج

يتم تحديد هذه الدائرة التي تم إنشاؤها بواسطة ميل خاصية الطور الخاصة بها

يمكن لخصائص التردد للرباعيات الحقيقية أن تقترب من خصائص الرباعيات غير المشوهة فقط في نطاق تردد محدود.

في المقالة السابقة، قمنا بدراسة القضايا المتعلقة بتشفير ونقل المعلومات عبر قناة اتصال في الحالة المثالية، عندما تتم عملية نقل المعلومات دون أخطاء. في الواقع، هذه العملية مصحوبة حتما بأخطاء (تشوهات). تسمى قناة الإرسال التي يكون التشوه فيها ممكنًا بقناة التداخل (أو الضوضاء). وفي حالة معينة، تنشأ أخطاء أثناء عملية التشفير نفسها، ومن ثم يمكن اعتبار جهاز التشفير بمثابة قناة مزعجة.

ومن الواضح تمامًا أن وجود التداخل يؤدي إلى فقدان المعلومات. من أجل الحصول على الكمية المطلوبة من المعلومات على جهاز الاستقبال في حالة وجود تداخل، من الضروري اتخاذ تدابير خاصة. أحد هذه التدابير هو إدخال ما يسمى "التكرار" في الرسائل المرسلة؛ وفي هذه الحالة، من الواضح أن مصدر المعلومات ينتج رموزًا أكثر مما قد يكون ضروريًا في غياب التداخل. أحد أشكال تقديم التكرار هو ببساطة تكرار الرسالة. وتستخدم هذه التقنية، على سبيل المثال، عندما يكون السمع صعباً على الهاتف، مع تكرار كل رسالة مرتين. هناك طريقة أخرى معروفة لزيادة موثوقية الإرسال وهي نقل كلمة "بالحرف" - عندما يتم نقل كلمة (اسم) معروفة تبدأ بهذا الحرف بدلاً من كل حرف.

لاحظ أن جميع اللغات الحية لديها بطبيعة الحال بعض التكرار. غالبًا ما يساعد هذا التكرار على استعادة النص الصحيح "حسب معنى" الرسالة. هذا هو السبب في أن تشويهات الحروف الفردية في البرقيات، والتي تحدث غالبًا بشكل عام، نادرًا ما تؤدي إلى فقدان فعلي للمعلومات: عادةً ما يكون من الممكن تصحيح الكلمة المشوهة باستخدام خصائص اللغة فقط. وهذا لن يحدث في غياب التكرار. مقياس تكرار اللغة هو القيمة

أين هو متوسط ​​الإنتروبيا الفعلية لكل حرف مرسل (حرف)، محسوب لمقاطع نصية طويلة بما فيه الكفاية، مع مراعاة التبعية بين الأحرف، هو عدد الأحرف (الحروف) المستخدمة، هو الحد الأقصى للإنتروبيا الممكنة لكل حرف مرسل بموجب المعطاة الشروط، والتي ستكون لو كانت جميع الرموز محتملة ومستقلة على حد سواء.

تظهر الحسابات التي تم إجراؤها على أساس اللغات الأوروبية الأكثر شيوعًا أن تكرارها يصل إلى 50٪ أو أكثر (أي، تقريبًا، 50٪ من الأحرف المنقولة زائدة عن الحاجة ولا يمكن نقلها لولا خطر التشويه) .

ومع ذلك، من أجل نقل المعلومات بدون أخطاء، قد يكون التكرار الطبيعي للغة إما مفرطًا أو غير كافٍ: كل هذا يتوقف على مدى خطورة التشويه ("مستوى التداخل") في قناة الاتصال.

باستخدام أساليب نظرية المعلومات، من الممكن العثور على الدرجة المطلوبة من تكرار مصدر المعلومات لكل مستوى من مستويات التداخل. تساعد نفس الأساليب في تطوير رموز خاصة مقاومة للأخطاء (على وجه الخصوص، ما يسمى برموز "التصحيح الذاتي"). لحل هذه المشكلات، يجب أن تكون قادرًا على مراعاة فقدان المعلومات في القناة المرتبطة بوجود التداخل.

لنفكر في نظام معقد يتكون من مصدر معلومات وقناة اتصال وجهاز استقبال (الشكل 18.9.1).

مصدر المعلومات هو نظام مادي له حالات محتملة

مع الاحتمالات

سنعتبر هذه الحالات بمثابة رموز أولية يمكن للمصدر إرسالها عبر قناة إلى جهاز الاستقبال. كمية المعلومات لكل حرف التي يوفرها المصدر ستكون مساوية للإنتروبيا لكل حرف:

.

إذا لم يكن إرسال الرسالة مصحوبًا بأخطاء، فإن كمية المعلومات الموجودة في النظام بالنسبة إلى، ستكون مساوية للإنتروبيا للنظام نفسه. إذا كانت هناك أخطاء، فسيكون أقل:

من الطبيعي اعتبار الإنتروبيا المشروطة فقدانًا للمعلومات لكل رمز أولي مرتبط بوجود التداخل.

من خلال القدرة على تحديد فقدان المعلومات في القناة لكل رمز أساسي واحد يتم إرساله بواسطة مصدر معلومات، يمكن للمرء تحديد إنتاجية القناة ذات الضوضاء، أي الحد الأقصى لمقدار المعلومات التي تستطيع القناة إرسالها لكل وحدة من وقت.

لنفترض أن القناة يمكنها إرسال رموز أولية لكل وحدة زمنية. وفي حالة عدم وجود تداخل، ستكون سعة القناة مساوية لـ

حيث أن الحد الأقصى من المعلومات التي يمكن أن يحتوي عليها الرمز الواحد هو، والحد الأقصى من المعلومات التي يمكن أن تحتويها الرموز هو، ويتحقق ذلك عندما تظهر الرموز بشكل مستقل عن بعضها البعض.

الآن دعونا نلقي نظرة على قناة صاخبة. يتم تحديد قدرتها على النحو

, (18.9.3)

أين هو الحد الأقصى للمعلومات لكل رمز التي يمكن للقناة إرسالها في حالة وجود تداخل.

يعد تحديد هذه المعلومات القصوى في الحالة العامة أمرًا معقدًا إلى حد ما، لأنه يعتمد على كيفية تشويه الرموز واحتمالاتها؛ سواء كانت مختلطة، أو ما إذا كانت بعض الرموز تتساقط ببساطة؛ هل تحدث تشوهات الرموز بشكل مستقل عن بعضها البعض، وما إلى ذلك؟

ومع ذلك، في أبسط الحالات، يمكن حساب سعة القناة بسهولة نسبية.

خذ بعين الاعتبار، على سبيل المثال، المشكلة التالية. تنقل قناة الاتصال الرموز الأولية 0 و 1 من مصدر المعلومات إلى جهاز الاستقبال بعدد الرموز لكل وحدة زمنية. أثناء عملية الإرسال، من المحتمل أن يتم تشويه كل رمز، بغض النظر عن الرموز الأخرى (أي استبداله بالرمز المقابل). نحن بحاجة إلى العثور على سعة القناة.

دعونا أولاً نحدد الحد الأقصى من المعلومات لكل رمز يمكن للقناة إرساله. دع المصدر ينتج الرمزين 0 و 1 مع الاحتمالات و .

ثم سيكون إنتروبيا المصدر

دعونا نحدد المعلومات لرمز أساسي واحد:

.

لإيجاد الإنتروبيا الشرطية الكلية، نجد أولاً الإنتروبيا الشرطية الجزئية: (إنتروبيا النظام بشرط أن يكون النظام قد قبل الحالة) و (إنتروبيا النظام بشرط أن يكون النظام قد قبل الحالة). لنحسب، لذلك نفترض أن الرمز الأولي 0 يتم إرساله، فلنجد الاحتمالات الشرطية التي يكون فيها النظام في حالة وفي حالة. أولهما يساوي احتمال عدم تشويش الإشارة:

;

والثاني هو احتمال اختلاط الإشارة:

الإنتروبيا الشرطية ستكون:

دعونا الآن نجد الإنتروبيا المشروطة للنظام، بشرط (إرسال إشارة واحدة):

; ,

هكذا،

يتم الحصول على الإنتروبيا الشرطية الإجمالية عن طريق حساب متوسط ​​الإنتروبيا الشرطية مع مراعاة الاحتمالات والقيم. وبما أن الإنتروبيا الشرطية الجزئية متساوية، إذن

لقد حصلنا على الاستنتاج التالي: الإنتروبيا المشروطة لا تعتمد على الإطلاق على احتمالات ظهور الرموز 0؛ 1 في الرسالة المرسلة، ولكن يعتمد فقط على احتمال الخطأ.

لنحسب المعلومات الكاملة المرسلة بواسطة رمز واحد:

أين هو احتمال ظهور رمز 0 عند الإخراج؟ من الواضح أنه بالنسبة لخصائص القناة المحددة، تصل المعلومات لكل رمز إلى الحد الأقصى عندما تكون الحد الأقصى. نحن نعلم أن هذه الوظيفة تصل إلى الحد الأقصى عند، أي عندما تكون كلتا الإشارتين محتملتين بشكل متساوٍ عند جهاز الاستقبال. ومن السهل التحقق من تحقيق ذلك عندما يرسل المصدر كلا الرمزين باحتمالية متساوية. وبنفس القيمة، تصل المعلومات لكل حرف أيضًا إلى الحد الأقصى. القيمة القصوى هي

المعلومات المفقودة لكل حرف هي 0.0808 (وحدتان). سعة القناة هي

الوحدات الثنائية لكل وحدة زمنية.

وباستخدام حسابات مماثلة، يمكن تحديد سعة القناة في حالات أكثر تعقيداً: عندما يكون عدد الرموز الأولية أكثر من رمزين وعندما تكون تشوهات الرموز الفردية غير مستقلة. وبمعرفة سعة القناة يمكن تحديد الحد الأعلى لسرعة نقل المعلومات عبر قناة صاخبة. دعونا نصوغ (بدون دليل) نظرية شانون الثانية المتعلقة بهذه الحالة.

نظرية شانون الثانية

فليكن هناك مصدر للمعلومات تساوي إنتروبيا لكل وحدة زمنية، وقناة ذات سعة. ثم إذا

ثم مع أي تشفير، يكون نقل الرسائل دون تأخير أو تشويه أمرًا مستحيلًا. لو

فمن الممكن دائمًا تشفير رسالة طويلة بما فيه الكفاية بحيث يتم إرسالها دون تأخير أو تشويه مع احتمال قريب بشكل تعسفي من واحد.

مثال 2. يوجد مصدر معلومات بالإنتروبيا لكل وحدة زمنية (وحدتان) وقناتي اتصال؛ يمكن لكل واحد منهم إرسال 70 حرفًا ثنائيًا (0 أو 1) لكل وحدة زمنية؛ يتم استبدال كل علامة ثنائية بعكسها مع الاحتمال. ومن الضروري معرفة: هل قدرة هذه القنوات كافية لنقل المعلومات المقدمة من المصدر؟

حل. نحدد فقدان المعلومات لكل حرف:

الحد الأقصى لكمية المعلومات المنقولة عبر قناة واحدة لكل وحدة زمنية:

الحد الأقصى لكمية المعلومات التي يمكن إرسالها عبر قناتين لكل وحدة زمنية:

وهو ما لا يكفي لضمان نقل المعلومات من المصدر.

تمر الإشارة عبر دائرة خطية دون تشويه إذا لم يتغير شكل خرجها، ولكن يمكن أن يتغير حجمها فقط وقد يظهر تأخير زمني. وهذا ممكن فقط في حالة استجابة التردد الموحدة واستجابة الطور الخطي للدائرة.

ويمكن أيضًا إثبات صحة هذا الشرط تحليليًا باستخدام تحويل فورييه. دع الجهد يطبق على مدخلات الدائرة يو بكس (ر)لها وظيفة طيفية (أو تحويل فورييه). دعونا نعبر عن هذا الجهد باستخدام تكامل فورييه:

دع الدائرة لديها معامل نقل مع الوحدة كومع مرحلة تزداد خطيًا مع التردد:

ثم عند الخرج نحصل على الجهد الذي يحدده التعبير

أخيراً U OUT (t) = K U IN (t – t 0) . (3.53)

في الواقع، فإن جهد الخرج له نفس شكل جهد الدخل، ولكن يتغير في الحجم بمقدار كمرات ويتأخر فيما يتعلق بجهد الإدخال في وقت واحد ر 0. ولهذا في (3.52) معامل الإرسال كيجب أن يكون ثابتًا، ويجب أن يزداد الطور، كما هو مكتوب في (3.52)، خطيًا مع التردد. يعد ذلك ضروريًا حتى يتم تأخير التوافقيات ذات التردد العالي بعدد أكبر من الفترات.

عادةً، يمكن وصف إرسال الإشارة (من "الإدخال" إلى "الإخراج") بواسطة عامل تفاضلي تكاملي:

وبالانتقال إلى تحويل فورييه، يمكننا كتابة هذه العلاقة بالصيغة:

أين ك(ω)- دالة عقلانية معقدة (معامل النقل). لو ك بالضبط معلوم فهو ممكن بالضبط استعادة الإشارة الأصلية عن طريق تطبيق التحويل العكسي للمشغل على الإشارة المستقبلة.

غالبًا ما يكون من الأفضل (بسبب القيود الفنية) عدم التعامل مع الوظيفة نفسها يو خارج (ر)،ومع عدد من قراءاته المنفصلة. ومن ثم يطرح السؤال بطبيعة الحال: هل تمثيل الوظيفة في شكل عينات منفصلة يعادل الوظيفة نفسها؟ هذا هو المكان الذي تأتي فيه نظرية كوتيلنيكوف للإنقاذ. وتعرف في الأدب الأجنبي باسم النظرية المرجعية - نظرية أخذ العينات أو نظرية نيكويست - نظرية نيكويست-شانون.

نظرية كوتيلنيكوف (نظرية أخذ العينات)

دعونا نضع إشارة مستمرة ش (ر)مجموعة القراءات: يو ن = يو(نΔ)،حيث Δ هو الفاصل الزمني لأخذ العينات، و1/Δ هو تردد أخذ العينات (انظر الشكل 3.32).

أرز. 3.32. رسم بياني للدالة ش (ر)ومجموعة من العينات المنفصلة ش نمع الفاصل الزمني لأخذ العينات Δ.

هذا هو أعلى تردد توافقي أو أعلى للطيف المستمر للإشارة.

إذن نظرية كوتيلنيكوف صالحة (مقدمة بدون دليل):

إذا كان طيف الإشارة محدودا والتردد العلوي للطيف أقل

ثم وفقا لمجموعة منفصلة ش نيمكنك استعادة الإشارة الأصلية بدقة:

و ج– تردد نيكويست . ونؤكد على أن البعد و ج- هرتز.

في التجربة الفيزيائية، يكون طيف أي دالة محدودًا دائمًا. ومع ذلك، بالنسبة لعالم الرياضيات، وظيفة محدودة في الوقت المناسب للفاصل الزمني ت، لديه طيف لانهائي. ومن الأمثلة على ذلك الطيف غير المحدود رسميًا للإشارة المستطيلة التي تمت مناقشتها أعلاه (انظر الشكل 3.11). في الممارسة العملية، يمكنك اختيار أعلى تردد للطيف و جبحيث "ذيول" الطيف (تحتوي على ترددات أعلى و مع) يحتوي على جزء صغير إلى حد ما من طاقة الإشارة. يتم تحديد مقدار الصغر في كل حالة من خلال الدقة المطلوبة لإعادة إنتاج الإشارة.

معنى النظرية هو أنه يجب تحديد أعلى تردد توافقي أو أعلى للطيف المستمر للإشارة من خلال حسابين.

الثنائيات

من حيث الموصلية، تنقسم المواد الصلبة إلى ثلاث فئات: المعادن، والمواد العازلة، وأشباه الموصلات.

1. يوجد في المعدن إلكترونات حرة، وبالتالي فإن مقاومتها منخفضة.

2. لا توجد إلكترونات حرة في العازل الكهربائي، وجميع الإلكترونات موزعة بين الذرات. طاقة الانفصال (التأين) للإلكترون من الذرة عالية. المقياس الطبيعي لتقدير طاقة التأين هو الطاقة الحرارية لكل درجة حرية اهتزازية كيلو طن~ 4·10 –21 ي = 0.03 فولت ( ك– ثابت بولتزمان). على سبيل المثال، بالنسبة للماس طاقة التأين ε الماس~ 5.4 فولت >> كيلو طن.

3. في أشباه الموصلات النقية، يتم توزيع الإلكترونات أيضًا بين الذرات، لكن طاقة التأين أقل، على سبيل المثال، بالنسبة للسيليكون Si ε سي~1.1 فولت للجاليوم εGa~0.67 فولت. لأن طاقة إزالة الإلكترون من الذرة لا تزال أكبر بكثير كيلو طن، فإن مقاومة أشباه الموصلات النقية مهمة جدًا أيضًا.

4. شبه الموصل غير المناسب هو شبه موصل مشبع بالشوائب، والتي من السهل أن "تنفصل" ذراتها عن الإلكترونات أو تكتسبها. يميز ن -النوع (على سبيل المثال، جهات مانحة الزرنيخ كما في Si) و ر -النوع (على سبيل المثال، متقبل الإنديوم في إلى سي). عادة ما يقع تركيز الشوائب في النطاق ~ 10 14 ... 10 17 سم -3. يوجد حوالي 0.5 10 23 ذرة في 1 سم 3 من Si. طاقة الانفصال (أو التعلق) منخفضة، على سبيل المثال، ε كما~0.01...0.04 فولت ~ كيلو طن.

السيليكون Si المخدر بالإنديوم خماسي التكافؤ أو ثلاثي التكافؤ

الزرنيخ كما (الموصلية ن-النوع) (الموصلية ص-يكتب).

في هذه الحالة، تحويل الرسوم في هذه الحالة، تحويل الرسوم

تتم بواسطة الإلكترونات. يتم تنفيذها عن طريق الثقوب.

تعتمد موصلية المادة على عدد الناقلات الحرة وحركتها. في المواد شبه الموصلة النقية يكون عدد الناقلات الحرة صغيرًا. وهذا يحدد الموصلية المنخفضة (أو المقاومة العالية) لأشباه الموصلات النقية. في وجود الشوائب، يمكن أن تختلف الموصلية بشكل كبير. على سبيل المثال، الجرمانيوم النقي لديه الموصلية حوالي 2 أوم -1 م -1. عندما يتم إدخال 10 -5 شوائب زرنيخ فقط إلى الجرمانيوم، تزداد الموصلية النوعية إلى 2·10 4 أوم -1 م -1 .

تعتمد معظم الإلكترونيات الحديثة على استخدام أشباه الموصلات غير المسجلة الملكية (المخدرة). أبسط جهاز من هذه الفئة هو الصمام الثنائي لأشباه الموصلات، والذي سنبدأ به نظرنا.

ديود أشباه الموصلات

تعتمد معظم الثنائيات والترانزستورات شبه الموصلة على اتصال اثنين من أشباه الموصلات بأنواع مختلفة من التوصيل الكهربائي. يسمى هذا الاتصال انتقال ثقب الإلكترون أو ص ن -انتقال. ويمكن الحصول عليه، على سبيل المثال، عن طريق نشر الشوائب المانحة في شبه الموصل ص -يكتب.

في منطقة الاتصال، الإلكترونات من ن تنتشر أشباه الموصلات في المنطقة ص أشباه الموصلات. عندما تواجه الإلكترونات ثقوبًا في طريقها، فإنها تتحد معها وتترك اللعبة. يتم الحفاظ على هذه العملية باستمرار، وبالتالي يتم تحقيق حالة التوازن الديناميكي: في الطبقة الحدودية ر تحتوي أشباه الموصلات دائمًا على طبقة من الشحنة السالبة. وبالمثل الثقوب المشحونة إيجابيا من ر ينتشر أشباه الموصلات في الطبقة الحدودية ن شبه موصل تظهر فيه طبقة من الشحنة الموجبة (انظر الشكل 4.2 أ). تشكل هذه الشحنات السطحية نظامًا مشابهًا للمكثف المسطح، بحيث يكون توزيع الجهد على شكل خطوة (الشكل 4.2 أ).

أرز. 4.2. مخطط تشغيل الصمام الثنائي لأشباه الموصلات.

التيار المتجه للامام

(UD > 0) - مقاومة منخفضة.

الجهد العكسي

(يو د< 0) – большое сопротивление.

يقولون أن هناك فرق محتمل في الاتصال. تيار ناقلات الأقلية لا يكاد يذكر عمليا، لأنه محدود بعدد صغير من ناقلات الأقلية.

الآن دعونا نفكر فيما سيحدث إذا ر تطبيق الجهد الإيجابي على أشباه الموصلات، و ن أشباه الموصلات - سلبية، كما هو مبين في الشكل. 4.2 ب. في هذه الحالة، ينشأ تيار، حيث تتحرك الفجوات الموجبة من اليسار إلى اليمين، والإلكترونات السالبة من اليمين إلى اليسار. وفي منطقة الاتصال، تلتقي هذه التدفقات وتتحد من جديد. وبسبب هذا التدفق، يصبح معدل إعادة التركيب في منطقة التلامس أكبر مما هو عليه في حالة عدم وجود تيار عبر جهة الاتصال. تؤدي الزيادة في إعادة التركيب في جهة الاتصال إلى انخفاض رسوم المساحة في منطقة الاتصال، وبالتالي يقل فرق جهد الاتصال أيضًا. وهذا بدوره يقلل من مقاومة الاتصال. وبالتالي، مع قطبية الجهد هذه، يزداد التيار بشكل غير خطي مع زيادة الجهد. يسمى هذا الوضع من الصمام الثنائي بالتشغيل الأمامي. في الاتجاه الأمامي، تقل مقاومة الصمام الثنائي بشكل غير خطي مع زيادة الجهد.

دعونا نفكر فيما يحدث إذا طبقنا جهدًا ذو قطبية عكسية، كما هو موضح في الشكل. 4.2ج. في هذه الحالة، ينشأ مثل هذا التيار بحيث تتحرك الثقوب الموجبة من اليمين إلى اليسار، وتتحرك الإلكترونات السالبة من اليسار إلى اليمين. في هذه الحالة، تتحرك حاملات الأغلبية - الإلكترونات والثقوب - بعيدًا عن منطقة التلامس. ونتيجة لذلك، تتباطأ عمليات إعادة التركيب في منطقة الاتصال. وهذا يؤدي إلى زيادة في الشحنات الفضائية بالقرب من جهة الاتصال، وبالتالي إلى زيادة في فرق جهد الاتصال. وهذا بدوره يزيد بشكل كبير من مقاومة الاتصال. يسمى هذا الوضع من الصمام الثنائي بالتشغيل العكسي. في الاتجاه المعاكس، تكون مقاومة الصمام الثنائي عالية ولا يوجد تيار عمليًا.

إذا واصلت زيادة جهد القطبية العكسية، فعند جهد معين سيحدث انهيار في الوصلة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه في حالة الوصلة المغلقة تقريبًا كل الجهد المطبق يعمل في طبقة حدودية رقيقة. لذلك، يتم تشكيل قوة مجال كهربائي عالية، قادرة على تسريع الإلكترون على مسافة قصيرة إلى طاقات كافية "لطرد" إلكترون من الرابطة التساهمية. بعد ذلك، سيتم تسريع كلا الإلكترونين، وسيطردان المزيد من الإلكترونات، وهكذا. والنتيجة هي شيء يشبه الانهيار الإلكتروني، مما يؤدي إلى انهيار الوصلة.

من الممكن تقديم تفسير مرئي بسيط لمثل هذه الاختلافات القوية في الموصلية الانتقالية في اتجاهات مختلفة. عندما يتم تشغيل الانتقال في الاتجاه الأمامي (الشكل 4.2ب)، ستتحرك الثقوب الموجودة في المنطقة اليسرى نحو السطح البيني، وستتحرك الإلكترونات من المنطقة اليمنى أيضًا نحو السطح البيني. على الحدود سوف يجتمعون مرة أخرى. يتم توفير التيار في جميع أقسام الدائرة بواسطة الناقلات الرئيسية، ويتم إثراء الوصلة نفسها بحاملات التيار. ستكون موصلية التقاطع كبيرة.

عندما يتم تشغيل الوصلة في الاتجاه المعاكس، ستتحرك الثقوب الموجودة في المنطقة اليسرى بعيدًا عن الواجهة، كما ستتحرك الإلكترونات من المنطقة اليمنى بعيدًا عن الواجهة. ونتيجة لذلك، لن تبقى هناك ناقلات تيار رئيسية عند الواجهة بين المناطق. يتم توفير التيار عند هذه الحدود من خلال عدد صغير جدًا من ناقلات الأقلية المتكونة بالقرب من الوصلة الرقيقة. موصلية التقاطع ستكون صغيرة.

هكذا، ص-ن يوصل الوصل التيار بشكل جيد في الاتجاه الأمامي ولا يوصل التيار عمليًا في الاتجاه العكسي. وتستخدم هذه الثنائيات أشباه الموصلات على نطاق واسع في مجال الإلكترونيات. في التين. يوضح الشكل 4.3 خاصية نموذجية لجهد التيار (خاصية فولت أمبير) للديود. قيم الجهد الأمامي النموذجية تكون في حدود يو مستقيم~0.5 فولت.

مما سبق يتضح أيضًا أن الدايود في الحالة المغلقة له سعة. يظهر الشكل الاعتماد غير الخطي المميز للسعة على الجهد العكسي على الصمام الثنائي. 4.5. سعة معالانتقال يعتمد على المنطقة سجهة الاتصال، القيمة النموذجية – ج/س~ 10 3 بيكو فاراد/سم2 . يحدد مزيج مقاومة التلامس والسعة أداءه في الأجهزة الراديوية، والذي يتم قياسه عادةً بقيمة التردد المحدد الذي يتم استخدام صمام ثنائي معين عنده. التردد النموذجي للبقعة ص ن -انتقال و = (أرسي) –1~ 10 12 هرتز، للمستوي ص ن -انتقال و = (أرسي) –1~ 10 9 هرتز.

أرز. 4.3. أرز. 4.4.

هذا هو ما يبدو عليه الجهد الحالي، نفس الخصائص، ولكن الحجم

يتم زيادة خاصية الطاقة للتيار العكسي 1000 مرة.

ديود السيليكون D233. ملحوظة! في كثير

في الكتب المدرسية، يتم رسم خصائص الجهد الحالي للديود كما في

هذه الصورة، ولكن حول تغيير الحجم
اكتب بأحرف صغيرة جدًا!

اعتماد سعة الصمام الثنائي (varicap) BB201 على الجهد العكسي.

أرز. 4.6. يظهر هنا الجزء المستقيم من الشكل. 4.7. هذا هو الجزء المباشر من الجهد الحالي

نقطة مميزة فولت أمبير مميزة للقوة

الجرمانيوم ديود D2E. إنه صمام ثنائي سيليكون جيد D233.

وصفها بالاعتماد التربيعي.

يرجى ملاحظة أنه عند الفولتية التي تبلغ عدة أعشار فولت، تكون مقاومة الثنائيات عالية جدًا، ولا يتدفق التيار تقريبًا عبرها في الاتجاه الأمامي. وتحت التوتر

أكبر من 0.5 فولت، وتكون المقاومة التفاضلية في حدود عدة أوم. هذا العقار

المستخدمة في محددات الجهد المدخلات.

أرز. 4.8.

تبدو خصائص الصمام الثنائي السيليكوني عالي التردد KD521A متشابهة. يعطي ظل الخاصية عند النقطة المحددة مقاومة تفاضلية تبلغ حوالي 7 أوم.

إن خاصية الجهد الحالي لصمام ثنائي السيليكون تختلف تمامًا عن خاصية صمام ثنائي الجرمانيوم ولم يعد بإمكاننا الحديث عن الاعتماد التربيعي. منحنى صلب أنا ~ يو 4 .

يبدو اعتماد التيار العكسي على الجهد لجميع الثنائيات هو نفسه تقريبًا. التيار العكسي صغير جدًا ويزداد مع زيادة الجهد.