Національний університет «Львівська політехніка»
Інститут комп’ютерних технологій, автоматики та метрології
Кафедра «Захист інформації»
Джала Роман Михайлович
Основи збору, передавання
та обробки інформації
Конспект лекцій
Тема 1: Вступні положення. Розвиток електрозв’язку
ЗМІСТ
1.1. Основний зміст дисципліни.
1.2. Короткий історичний огляд розвитку теорії та технічних
засобів телекомунікацій.
1.2.1. Доелектричні засоби передачі іформації
1.2.1. Етапи розвитку електрозв’язку
1.3. Приклади використання сучасних телекомунікаційних систем і мереж у різних галузях народного господарства.
1.К. Питання до самоконтролю.
1.Л. Література.
Львів – 2006
1.1. Основний зміст дисципліни
У курсі “Основи збору, передавання та обробки інформації” вивчають основні, загальні (єдині) методи розв’язання різноманітних проблем, що виникають при передачі повідомлень з одного пункту в інший, від джерела інформації до її отримувача.
Передавання повідомлень відіграє все більшу роль у людському суспільстві. Життя сучасного суспільства немислиме без широко розвинених систем передачі інформації (СПІ). Без них не можуть функціонувати промисловість, транспорт, автоматизовані системи управління (АСУ), важливою частиною яких є система зв’язку для обміну інформацією та пристрої зберігання і обробки інформації.
Відбір, передача, зберігання та обробка інформації присутні не лише у технічних пристроях. Звичайна розмова – це обмін інформацією. Книга – сховище інформації. Дослідник відбирає й обробляє інформацію про склад і структуру об’єкта. Генетична інформація, “записана” у структурі хромосом клітини, передається при її поділі і має “команди”, що керують програмою розвитку організму. Нервовими волокнами передається інформація від чуттєвих органів у мозок і від мозку до органів, що виконують дії.
Питання, пов’язані з передачею інформації у природі й суспільстві, охоплює статистична теорія зв’язку або теорія передачі сигналів.
Без знання основ теорії передачі сигналів неможливі створення нових систем передачі інформації та їх експлуатація. Тому її вивчення є невід’ємною частиною теоретичної підготовки інженерів зв’язку, телекомунікацій, систем автоматики й управління та інформаційної безпеки.
Метою навчання є оволодіння основами теоретичних знань для розуміння функціонування сучасних систем телекомунікацій, а також розвиток навичок до самостійної розробки елементів та функціональних вузлів СПІ , їх практичного використання.
Завданням курсу є формування на базі теорії “технічного світогляду” майбутніх інженерів.
Завдання вивчення дисципліни
В результаті вивчення дисципліни фахівець повинен знати:
- методи перетворення та передачі повідомлень і сигналів;
- принципи організації та особливості ліній, каналів та мереж зв'язку;
- способи забезпечення високої завадостійкості, ефективності і надійності телекомунікаційних систем та мереж.
Підготовлений фахівець повинен уміти:
- здійснювати розрахунки параметрів сигналів і характеристик елементів та функціональних вузлів систем збору, передачі й обробки інформації;
- самостійно розробляти схеми вузлів та пристроїв систем збору, опрацювання та передавання інформації на основі сучасної елементної бази.
Для вивчення курсу необхідні знання дисциплін: Теорія інформації (вимірювання інформації, методи кодування, види модуляції);
Елементи дискретних пристроїв автоматики (характеристики та принцип дії дискретних мікроелектронних пристроїв різного рівня інтеграції).
1.2. Короткий історичний огляд розвитку теорії та
технічних засобів телекомунікацій
Проблема передавання інформації на віддаль за короткий час і з мінімальними помилками турбувала людство з незапам’ятних часів. Можливості розв'язання цієї проблеми, загалом, визначаються рівнем розвитку фізико-математичних наук і техніки.
1.2.1. Доелектричні засоби передачі іформації
Ще з античної історії відомі приклади передавання повідомлень.
У 490 р. до н.е. біля грецького поселення Marathon, розміщеного на однойменній рівнині в Аттиці (40 км на північний схід від Афін), відбулася одна з найбільших битв між греками й персами, описана істориком Геродотом. Існує легенда про те, як після перемоги греків над персами воїн-гонець Філіппід (гопліт - озброєний важкою зброєю: щитом, списом, шаблею, шоломом і панциром) із Мільтіадового війська прибіг до Афін, викрикнув: “Ми перемогли !” й мертвим упав на землю. На згадку про цей подвиг у 1896 р. марафонський біг (42 км 195 м) було включено до програми Ігор 1-ї Олімпіади.
У IV столітті до н.е. у Греції існував водяний телеграф, суть якого: на підвищення (на відстані прямої видимості) установлювали дві посудини, в яких на поплавку містили лінійку з нанесеними знаками. За командою з передавача, на передачі й на прийомі відкривали отвори у дні посудин (витягали корки), вода витікала з посудин і лінійки опускались до потрібної мітки, заданої передаючою стороною; за командою передаючої сторони отвори закривали. Умовами вірності передачі в такій системі були синхронність і синфазність передавача і приймача, тобто однакові швидкості витікання води з посудин і одночасність відкривання й закривання отворів. Принципи, закладені у водяному телеграфі, (синхронізація і фазування) використовують і в сучасних системах передачі повідомлень.
У 1794 р. була введена в експлуатацію перша лінія семафорного телеграфу між Парижем і Лілем (225 км), яку запропонував (вежі з руками) французький механік Клод Шапп (1763-1805). Семафорний (грец. сема - знак, сигнал + форос - носій) телеграф служив більше 50 років. Жак Шато спростив код (Росія “заплатила іноземцю Шато 120 тис.руб. за уступку телеграфічної тайни”; СТ існував до 1854 р.) Були закладені основи телеграфної служби, розроблені способи складання телеграфних кодів і шифрів, появились спеціальності телеграфіста і телеграфного інженера (вперше звання телеграфного інженера було присвоєно французьким урядом Клоду Шаппу, який увів термін “телеграф” (грец. далеко пишу).
Проте ні водяний, ні інші, створені у давнині, види телеграфу (у т.ч. і семафорні) не могли розв’язати задачу передачі повідомлень у поганих природних умовах.
Своєрідні телеграфи й семафори існували у різних народів. Так козаки встановлювали на підвищення спеціально призначені купи хмизу, соломи, які підпалювали, щоб появою вогню й диму передати повідомлення про наближення небезпеки, тощо. В африканських країнах були поширені барабани “тамтам”, якими передавали повідомлення між селищами; такий акустичний зв’язок здійснюється і поза межами прямої видимості, але у тихий час - за відсутності завад. Для оповіщення місцевого населення у селах до нині використовують церковні дзвони, якими у випадку пожежі “б’ють на сполох”. Важливе значення у житті суспільства мають поширені процеси передавання письмових повідомлень поштою, але вони не входять у програму даного курсу.
1.2.2. Етапи розвитку електрозв’язку.
І. Джерело струму. Телеграф.
У 1800 р. італійський учений - фізик і фізіолог Алессандро Вольта (1745-1827) створив перше хімічне джерело струму - вольтів стовп (20 пар мідних і цинкових дисків, розділених суконними кружечками, змоченими солоною водою), що дозволив проводити різноманітні експерименти. Цей винахід вважають початком розвитку електрозв’язку.
У 1809 р. німецький учений С.Земмеринг представив Мюнхенській академії наук проект електрохімічного телеграфу; цей мав багато недоліків і не знайшов практичного використання. Лише через 20 років появилась перша практично придатна система телеграфування.
У 1832 р. російський учений і винахідник, член.-кор. Академії наук П.Л.Шиллінг уперше продемонстрував електромагнітний телеграфний апарат. Для нього був розроблений п’ятиелементний код, який можна вважати прообразом теперішнього телеграфного коду МТК-2.
У 1841 р. фізик і електротехнік, російський академік Борис Семенович Якобі (1801-74) (однофам. нім. математика К.Г.Я. Якобі: 1804-51) винайшов пишучий телеграфний апарат з електромагнітом у приймачі та ввів у експлуатацію лінію з пишучим телеграфом, що з’єднувала Зимовий палац із Головним штабом. Через два роки підземна кабельна телеграфна лінія була збудована між Петербургом і Царським Селом (25 км). У той же час, незалежно, американський учений С. Морзе також запропонував пишучий телеграф та створив телеграфну азбуку, в якій букви позначаються комбінаціями крапок і тире; нею користуються і до нині. Перша лінія зв’язку в США (Вашингтон - Балтимор, 63 км) почала діяти з 1844 р.
Значення робіт П.Л. Шилінга і Б. С. Якобі полягає у тому, що вони розробили фундаментальні основи електромагнітної телеграфії - першого засобу електрозв’язку і першого використання знань про електрику й магнетизм у практичній діяльності людини, тобто основи електротехніки.
ІІ. Телетайп.
У 1850 р. Б.С.Якобі сконструював перший букводрукуючий апарат, який потім (1874 р.) удосконалили американець Д.Юз і французький інженер-винахідник Ж.Бодо (1845-1903). Апарати Бодо забезпечували по фізичних ланцюгах (колах, каналах) передачу повідомлень одночасно від декількох джерел. У нашій країні ці апарати використовувались від 1904 і до кінця сорокових років ХХ століття. Були створені шести- і дев’ятикратні модифікації апарату Бодо.
З 1930 р. появились перші радянські телетайпи (телеграфні апарати з клавіатурою пишучої машинки і старт-стопним принципом роботи); їх створили А.Ф.Шорін (1930) та А.І.Тремль (1931). Потім ці телетайпи замінили досконалішим стартстопним апаратом СТ-35, розробленим Н.А.Волковим, Н.Г.Гагаріним і С.І.Часовиковим; покращений варіант використовують для телеграфного зв’язку і до цього часу. Телетайп (англ. teletype, від грец. теле - далеко і англ. type - відбиток) - телеграфний апарат для приймання й передавання повідомлень у цифро-буквовій формі.
У 1866 р. прокладено кабель через Атлантичний океан. Европа й Америка зв’язались телеграфом. Телеграфні лінії потягнулись у всі кінці земної кулі, зв’язуючи між собою країни й континенти.
ІІІ. Телефон.
З 1837 р. були спроби передати на відстань людську мову з допомогою електрики. Через 40 років американський винахідник А.Г. Бел у 1876 р. запатентував пристрій для передачі мови по проводах - телефон.
У 1878 р. російський вчений М.Махальский сконструював перший чутливий мікрофон із вугільним порошком, який у модернізованому виді використовується і в сучасних телефонних апаратах.
У 1882-83 рр. побудовані перші телефонні станції у Москві, Петербурзі, Одесі. У 1886 р. фізик П.М.Голубицький розробив нову схему телефонного зв’язку, за якою мікрофони абонентських апаратів живились від одної (центральної) батареї, розміщеної на телефонній станції. Ця система (ЦБ) донині поширена у світі.
Для телефонного зв’язку спершу використовували телеграфні лінії, але для покращення якості зв’язку потрібні спеціальні двопровідні телефонні лінії. Така лінія між Петербургом і Москвою була спроектована у 1895 р. професором Петербурзького електротехнічного інституту П.Д.Войнаровським і побудована у 1898 р.
У кінці ХІХ століття Земля вже була оповита проводами і кабелями, які зв’язували міста й континенти. Але провідний зв’язок не задовольняв потреб промисловості, транспорту й особливо судноплавства. Мореплавцям і військовому флоту необхідний безпровідний зв’язок.
IV. Винахід радіо.
Максвелл Джеймс Клерк (1831-79) - англійський фізик - у 1860-1865 рр. створив теорію електромагнітного поля: сформулював систему рівнянь, ввів поняття струму зміщення, передбачив існування у вільному просторі електромагнітного випромінення (хвиль) і його поширення із швидкістю світла, - що є теоретичною основою електро- і радіотехніки.
Герц Генріх Рудольф (1857-94) - німецький фізик - один з основоположників електродинаміки. У 1887 р. у роботі “Про дуже швидкі електричні коливання” запропонував конструкцію генератора ЕМ коливань (вібратор Герца) і метод їх виявлення з допомогою резонатора (резонатор Герца), вперше розробив теорію відкритого вібратора, що випромінює ЕМ хвилі. У 1888 р. Герц дослідним шляхом доказав існування електромагнітних хвиль, передбачених теорією Максвелла. Експериментуючи з ЕМ хвилями, Герц спостерігав їх відбивання, заломлення, інтерференцію, поляризацію. Встановив, що швидкість поширення ЕМ хвиль дорівнює швидкості світла. Ці досліди підтвердили теорію Максвелла. Розвиваючи її, Герц надав (1890) рівнянням електродинаміки симетричну форму, яка виявила повний взаємозв’язок між електричними й магнітними явищами.
7 травня 1895 р.- День радіо - відбулася перша публічна демонстрація пристрою А.С.Попова для прийому електромагнітних хвиль (у Петербурзі, на засіданні Російського фізико-хімічного товариства). Попов Олександр Степанович (1859-1906) - російський вчений, винахідник радіо; дослідник проблем електротехніки, радіотехніки, зокрема, радіозв’язку. У 1888 р. повторив досліди Герца по отриманню ЕМ хвиль і в 1889 р. уперше вказав на можливість їх, використання для передачі сигналів на віддаль. У 1894 р. сконструював генератор ЕМ коливань і когерер - елемент приймача, чутливий до електромагнітних хвиль; винайшов першу приймальну антену і встановив, що приймач реагує на грозові розряди. Створив прилад для реєстрації розрядів на значних віддалях (грозовідмітчик), який був прототипом першої приймальної радіостанції. 7.05.1895 продемонстрував грозовідмітчик (радіоприймач) на засіданні фізико-хімічного товариства і прочитав доповідь “Про відношення металевих порошків до електричних коливань”, висловив думку про можливість використання грозовідмітчика для передачі сигналів на віддаль. 24.03.1896 там же продемонстрував передачу сигналів на віддаль 250 м, передав першу у світі радіограму - “Генріх Герц”. Подібні прилади й експерименти створив і здійснив дещо пізніше Г.Марконі, який запатентував безпровідний телеграф.
У 1897 р. Попов виявив відбивання хвиль від кораблів, що покладено в основу радіолокації. Здійснив досліди з радіотелеграфії.
У 1900 р. радіотелеграфний зв’язок використовували при зніманні з мілини броненосця “Генерал-адмірал Апраксин” та при рятуванні віднесених у море рибаків.
У 1946 р. Президія АН СРСР встановила золоту медаль ім.А.С.Попова і премію за визначні досягнення у галузі радіофізики.
Є науково-технічне товариство РЕЗ його імені.
Лодж Олівер Джозеф (1851-1940) - англійський фізик, член Лондонського королівського товариства. Досліджував (1888) поширення ЕМ хвиль вздовж провідника при розряді лейденської банки; вдосконалив методи детектування коливань із допомогою когерера. Брав участь у початкових етапах розвитку радіотелеграфії. Експериментально доказав неправомірність теорії ефіру (показав, що рухома матерія не захоплює ефір).
Марконі Гульельмо (1874-1937) - італійський радіотехнік. Розробив прилади безпровідного телеграфу. У 1896 р. подав заявку, а в 1897 отримав патент (в Англії) на застосування ЕМ хвиль для безпровідного зв’язку. Добився широкого практичного використання нового способу зв’язку; у 1902 здійснив радіозв’язок через Атлантичний океан. Відіграв значну роль у розвитку радіотехніки, у поширенні радіо як засобу зв’язку (Нобелівська премія 1909 р. по фізиці, разом із Браун К.).
У Росії у 1913 р. був організований радіотелеграфний завод з радіолабораторією під керівництвом М.В.Шулейкіна, а в 1914 у Москві й Петербурзі були збудовані перші іскрові радіостанції. У 30-х роках була розроблена апаратура для організації по двох проводах декількох телеграфних зв’язків (каналів). Розвинуто спосіб “частотного телеграфування”, створена триканальна апаратура. Перша вітчизняна апаратура тонального телеграфування на 18 каналів створена у 1940 р. Потім були створені різновидності каналоутворюючої апаратури (КОА) із частотним і часовим розділенням каналів (ТТ-12/17, ТТ-48, ЧВТ-11, …). На базі цієї апаратури, телеграфних апаратів і вузлів комутації була створена телеграфна мережа загального користування.
У кінці 40-х років перейшли на діалоговий режим між абонентами, - в абонентів установлювали стартстопний апарат і викликаючий пристрій, з’єднані з місцевою комутаційною станцією.
Лінія фототелеграфного зв’язку Москва-Берлін була відкрита 1027 р. Передавали на віддаль нерухомі зображення, газети. Факсиміле (франц. від лат. fac simile - зроби подібне) - точне відтворення малюнка, креслення, рукопису фотографічним способом або печаткою (не плутати з кліше - печатка для відтворення власноручного підпису).
Розвиток обчислювальної техніки (ЕОМ, комп’ютерні мережі) привів до появи нового виду електрозв’язку - передавання даних. Тут підвищені вимоги до швидкості й вірності передачі інформації. Документальні види електрозв’язку (телеграфія, передача даних та факсимільний) стали невід’ємною частиною ефективного управління.
V. Теорія передачі сигналів.
Усі питання, пов’язані з передачею інформації у природі й суспільстві охоплює статистична теорія зв’язку або теорія передачі сигналів.
У створенні й розвитку теорії зв’язку велику роль відіграли член-кор. Олександр Якович Хінчин (1894-1959) і академік Андрій Миколайович Колмогоров (1903-87), які розробили необхідний математичний апарат (вклад у теорію функцій, т. імовірностей, т. чисел, т. стаціонарних випадкових процесів, т.інформації).
Акад. Котельников Володимир Олександрович (1908-2005) - радіофізик (теоретична радіотехніка), з 1954 р. директор Ін-ту радіотехніки й електроніки АН СРСР. У роботах “О пропускной способности “эфира” и проволоки в электросвязи” (1933) і “Теория потенциальной помехоустойчивости” (1946 р.) сформулював і довів теореми, що є в основі теорії передачі сигналів.
Подальший розвиток теорія отримала у працях А.А.Харкевича, В.І.Сифорова, А.Г.Зюко, Д.Д.Кловського, Л.М.Фінка та багатьох інших.
Значний вклад у створення і розвиток теорії зв’язку зробили Х.Найквіст, Н.Вінер, Д.Міддлтон, К.Хелстром та ін.
Вінер Норберт (1894-1964) - амер. учений. У 14 р. вивчив вищу математику, у 18 р. став доктором філософії Гарвардського ун-ту. Теорія потенціалу, гармонічні функції, ряди і перетворення Фур’є, теорія випадкових процесів. Ел. мережі, обчислювальна техніка - балістичні розрахунки. У 1945-47 рр. - ідея про необхідність створення єдиної науки про процеси зберігання й обробки інформації управління й контролю; назвав кібернетика (від грец. - мистецтво керуввання).
Важливу роль у становленні сучасної теорії передачі інформації зіграв Шеннон Клод Елвуд (Shannon C.E., нар.1916 р.) - американський математик і інженер, один із творців математичної теорії інформації, кібернетики; основоположна робота - “Математична теорія зв’язку” (1948).
До нинішнього часу створено і широко використовуються телебачення, сотовий мобільний телефон, електронна пошта, глобальна інформаційна мережа Інтернет. Застосовують кабельні та радіо лінії передачі інформації.
1.3. Приклади використання сучасних телекомунікаційних систем і мереж у різних галузях народного господарства
- Телефонія,
- Радіомовлення, Телебачення,
- Документальні види електрозв’язку (телеграфія, факсимільний, передача газет, передача даних),
- Автоматичні системи управління (АСУ), АСУТП,
- Супутниковий і космічний зв’язок,
- Сотовий мобільний телефон,
- Електронна пошта,
- Глобальна інформаційна мережа Інтернет.

1.К. Питання до самоконтролю
1.К.1. Доелектричні методи передавання інформації.
1.К.2. Суть водяного телеграфу.
1.К.3. Семафорний телеграф.
1.К.4. Чому вольтів стовп вважають початком розвитку електрозв’язку ?
1.К.5. Основні етапи розвитку теорії й практики електрозв’язку.
1.К.6. Яка різниця між телетайпом і телеграфом ?
1.К.7. Суть телефонного зв’язку.
1.К.8. Які фізичні явища є основою радіозв’язку? Назвіть дослідників і винахідників.
1.К.9. Де використовують фототелеграфний зв’язок 7
1.К.10. Які питання охоплює теорія передачі сигналів ?
1.К.11. Приклади використання телекомунікаційних систем.

Література - 1.Л.
Основна
1. Теория передачи сигналов: Учебник для вузов / А.Г.Зюко, Д.Д.Кловский, М.В.Назаров, Л.М.Финк. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1986. - 304 с.
2. Передача дискретных сообщений: Учебник для вузов / Под ред. В.П.Шувалова. - М.: Радио и связь. 1990.- 464 с.
3. Системы электросвязи: Учебник для вузов / Под ред. В.П.Шувалова. -
М.: Радио и связь. 1987.- 512 с.
Довідкова
1. Храмов Ю.А. Физики. - К.: Наукова думка, 1977. - 509 с.
Математический энциклопедический словарь. / Гл. ред. Ю.В.Прохоров - М.: “Сов. энц.”, 1988.- 847 с.
Шарле Д.Л. По всему земному шару: Прошлое, настоящее и будущее кабелей связи. - М.: Радио и связь, 1985. - 320 с.