Поскольку средств дистанционной коммуникации много, начиная от голубиной почты и заканчивая Skype, то и теория связи - весьма комплексное понятие. Однако излагать мы её не станем даже вкратце, просто опишем, какие вопросы она изучает, с чем имеет дело, для чего нужна и приносит ли хоть какую-то практическую пользу.
Конечно, в первую очередь нас интересуют области, имеющие отношение к компьютерным технологиям .
Как всё началось
Люди пользовались связью тысячи лет, но делали это примитивно: писали письма и отправляли гонцов. Настоящий прогресс начался в девятнадцатом веке, когда были придуманы телеграф, телефон и радио. В двадцатом веке - телевидение, компьютеры и интернет. То есть, действительно эффективная и быстрая коммуникация отождествляется с появлением электросвязи .
В 1948-м году американский инженер Клод Элвуд Шеннон (Claude Elwood Shannon) опубликовал эпохальный труд «Математическая теория связи», в коем попытался подвести научную основу под вышеупомянутую электросвязь. Как передавать и хранить информацию, как её обрабатывать, шифровать и кодировать.
Мистер Шеннон ввёл понятие минимального объёма информации - бит . Связные системы по сей день разрабатываются с учётом принципов, сформулированных учёным. Значит, рассмотрим его наследие поближе.
Суть теории
Во-первых, каналы связи обладают ограниченной пропускной способностью. Так было в середине прошлого века, такой ситуация является и сейчас. Поэтому из сигнала сначала вырезается избыточность, и только потом он каким-либо образом кодируется для передачи.
Что такое избыточность? Капитан Очевидность подсказывает: всё то, без чего можно обойтись. Изображение необязательно формировать из всех шестнадцати с лишним миллионов оттенков, доступных человеческому глазу. Достаточно передавать комбинации, в которых смешиваются красный, синий и зелёный, формируя разные цвета.
Звук тоже необязательно транслировать во всём слышимом диапазоне от 20 до 20 000 герц, он неплохо воспринимается с частотным «потолком» в 15 000 Гц. И даже гораздо меньше, если это только речь.
Во-вторых, мы живём в невидимом электромагнитном океане, где помехи бывают естественными (солнечная активность, магнитные бури, грозы) и индустриальными (много чего понастроили). Поэтому желательно разрабатывать и применять помехозащищённое кодирование передаваемого сигнала.
К примеру, амплитудная модуляция практически не защищена (диапазоны AM на вашем приёмнике, короткие, средние и длинные волны). Треск в динамике слышен, когда сосед включает пылесос.
Частотная модуляция (аналоговое телевидение, радио FM) гораздо более устойчива, однако если рядом с приёмником включить фен или электрическую кофемолку, помехи всё равно будут.
Ну а цифровой сигнал - пока что высшая ступень эволюции. Хотя помехи тоже могут затруднить передачу пакетов с данными , но получается всё равно лучше.
В-третьих, есть такое понятие как шум. Вызван он необязательно одними лишь помехами на линиях передачи, потому что его способно генерировать само оборудование. К примеру, в паузах между музыкальными композициями можно услышать шипение мощного усилителя.
Так вот, чем шире канал, чем больше информации по нему пытаются передать, тем больше в нём шума. Когда сигнал неизбежно начинает искажаться, это означает, что достигнут допустимый предел. Он называется «порог Шеннона». Учёный сформулировал по этой теме одну из своих теорем.
К чему всё привело
Слава Шеннона лишила покоя многих специалистов, и они как с цепи сорвались. Теория связи начала стремительно расширяться, углубляться и всячески разбухать. Появились отдельные разделы о кодировании, модуляциях, способах передачи, методах шифрования, всевозможных алгоритмах etc.
Между тем, суть осталась прежней. Голос в мобильном телефоне , который вы слышите, передаётся в соответствии с изначальной концепцией: диапазон звуковых частот перед передачей (при кодировании) сужается. Избыточность вырезана и из mp3-файлов, которые вы получаете по сети. Из видео - тоже.
Справедливости ради следует отметить, что кардинальные и полезные новшества всё же появились. Одно из них - мобильная технология третьего поколения, известная как 3G и используемая для доступа к интернету.
Инженеры подумали примерно так: «Если в широких, скоростных каналах никак не избежать обилия шума, то давайте превратим его в полезные данные!» И начали кодировать сигналы, запуская их в эфир именно как цифровой шум. Мол, пусть каждый абонент вылавливает из этого моря то, что предназначено ему (другие раскодировать не могут). И получилось довольно неплохо.
Резюмируем
Итак, теория связи рассматривает, в основном, такие понятия как:
- источник информации, передатчик в любом его проявлении;
- обработка сигнала до передачи, для передачи, во время приёма, после оного;
- каналы связи;
- приёмник информации, тоже какой угодно, хоть радио на батарейках, хоть смартфон со Skype на борту;
- математические, физические, технологические, программные и прочие научные основы осуществления всего вышеперечисленного.
Много? Да, много, даже при таком весьма кратком, обобщённом описании. Поэтому будущему связисту для начала нужно выбрать конкретную специализацию. Можно стать специалистом по компьютерным сетям, радиоинженером-телевизионщиком , конструктором спутникового оборудования - профессий в этой сфере полно, и все они востребованы.
Предыдущие публикации:
ТЕОРИЯ (греч. theoria - рассмотрение, исследование, учение) - наиболее сложная и развитая форма организации научного знания, дающая целостное представление о существенных связях определенной области действительности - объекта данной теории. Поскольку термин «теория» многозначен, в современной методологии науки он определен в узком и специфическом смысле по сравнению с толкованием, которое часто встречается в обыденной речи, когда теория отождествляется с любой совокупностью взглядов и идей, отличающихся от практических действий.
Теория (Лопухов, 2013)
ТЕОРИЯ - в широком смысле - комплекс взглядов, представлений, идей, направленных на истолкование и объяснение каких-либо явлений. В более узком смысле - высшая форма организации некогда разрозненных знаний, дающая целостное (концептуальное) представление об объекте познания. Хорошая теория позволяет множество дополнительных фактов подвести под уже выявленные и описанные общие законы и закономерности, а из общих законов вывести неизвестные дотоле связи между фактами, казавшимися разрозненными.
Теория в логике
ТЕОРИЯ В ЛОГИКЕ представляет собой логически связную систему предложений. В качестве логической связи используются процедуры дедукции, формализующие отношение выводимости. В зависимости от степени проясненности (выявленности) дедуктивных связей различают несколько типов теорий. К первому типу относятся содержательные теории. В их составе дедукция используется лишь для связи отдельных положений. При этом исходные утверждения в рассуждениях представляют собой некоторые допущения, называемые посылками. Посылки не обязаны быть (и не всегда бывают) истинными, а потому любое предложение, которое дедуцируется с их использованием, считается условно истинным: заключение истинно при условии, что посылки являются истинными. Примером содержательной теории является школьная арифметака...
Теория (НФЭ, 2010)
ТЕОРИЯ - в широком смысле комплекс взглядов, представлений, идей, направленных на истолкование и объяснена какого-либо явления; в более узком и специальном смысле - высшая, самая развитая форма организации научного знания дающая целостное представление о закономерностях и существенных связях определенной области действительности - объекта данной теории. По своему строению теория представляет внутренне дифференцированную, но целостную систему знания, которую характеризуют логическая зависимость одних элементов от других, выводимость содержания теории из некоторой совокупности утверждений и понятий - исходного базиса теории. В процессе применения теории сформированное в ней знание опосредуется различными промежуточными звеньями, конкретизирующими факторами, что пред полагает живое, творческое мышление, руководствующееся теорией как программой, но мобилизирующее также все возможные способы ориентации в конкретной ситуации. Действенное применение теории требует опоры на непосредственное восприятие исследуемого объекта, использования практического опыта, включения эмоциональных и эстетических моментов сознания, активизации способностей творческого воображения...
Теория (Грицанов)
ТЕОРИЯ (греч. theoria - наблюдение, рассмотрение, исследование, умозрение, буквально - "зрелище", "инсценировка") - высшая форма организации научного знания, дающая целостное представление о закономерностях и существенных (структурных, функциональных, каузальных, генетических) связях определенной области описываемой действительности (предметного поля объяснений и интерпретаций). В классической науке Т. в идеале должна представлять собой систему ее законов и презентировать основной категориально-понятийный аппарат ее описания (понимания, истолкования, интерпретации, объяснения и прогнозирования, при акцентуализации последних двух процедур). Она представляет собой дедуктивно (в большинстве случаев) простроенную систему организации знания, вводящую правила логического вывода более конкретного знания (следствий) из наиболее общих (в пределе - аксиоматических) для данной Т. оснований-посылок. В идеале правильно построенная Т. является открытой как в сторону исследования фактов, так и в сторону метатеоретических исследований, в которых она согласовывается с другими Т., имеющими отношение к данной предметно-проблемной области. Т. различаются по характеру решаемых задач, способам своего построения, типам реализуемых процедур...
Теория (Конт-Спонвиль)
ТЕОРИЯ (THEORIE). Современное значение слова «теория» далеко ушло от своего греческого «прародителя» (Theoria). Для нас теория - не столько созерцание, сколько труд, не столько радость познания, сколько мыслительное усилие. Так что же такое теория? Принципиально непротиворечивая совокупность понятий и положений, имеющая целью достижение нового знания или осмысления той или иной части реальной действительности. Если положения теории состоят из аксиом и теорем, перед нами - гипотетико-дедуктивная теория.
Теория (Подопригора)
ТЕОРИЯ [греч. …, от … - рассматриваю, исследую] - 1) в широком смысле - форма деятельности общественно развитого человека, направленная на получение знания о природной и социальной действительности и вместе с практикой образующая совокупную деятельность общества. В этом смысле понятие теории является синонимом общественного сознания в наиболее высоких и развитых формах его организации; как высший продукт организованного мышления она опосредует всякое отношение человека к действительности и является условием подлинно сознательного преобразования последней; 2) в узком смысле - форма достоверного научного знания о некоторой совокупности объектов, представляющая собой систему взаимосвязанных утверждений и доказательств и содержащая методы объяснения и предсказания явлений данной предметной области. В этом смысле теория противопоставляется эмпирическому знанию.
Теория отражения (Фролов)
ТЕОРИЯ ОТРАЖЕНИЯ - в марксистской философии составляет основу диалектико-материалистической теории познания. Т. о. имеет специфические задачи: раскрытие наиболее общих черт и закономерностей, присущих всем уровням и формам отражения; исследование возникновения и развития форм психического отражения, включая вопросы происхождения сознания и специально-научного обоснования возможностей познавательной деятельности человека; изучение связи характеристик содержания и формы образа, знания; раскрытие сущности отражения в неживой природе; выяснение особенностей отражения (сигнализации) в технике связи и управления, в частности соотношения и связи человека и кибернетических устройств. Исходным для Т. о. и марксистской гносеологии в целом служит диалектико-материалистический принцип отражения, согласно к-рому результаты познания должны быть относительно адекватны своему источнику - оригиналу. Они достигаются посредством двух взаимосвязанных требований и соответствующих им процессов: активного извлечения нужных и исключения ненужных, побочных сведений об оригинале...
ТЕОРИЯ это
совокупность высказываний , замкнутых относительно логического следования (слово теория происходит от греч. theoria - рассмотрение, исследование). Такое предельно общее и наиболее абстрактное определение теории дает логика . С логической точки зрения - это любое высказывание , рассматриваемое вместе с его логическими следствиями .
Например, из высказывания «Сегодня вторник» следуют такие: «Завтра будет среда», «Вчера был понедельник», «Сегодня - третий день недели» и тому подобные, поэтому данное высказывание вместе с перечисленными следствиями можно назвать . Столь широкое определение термина Теория может показаться несколько не обычным , однако оно вполне соответствует обыденному употреблению этого . Например, в романе М. Булгакова «Мастер и Маргарита» Воланд говорит отрезанной голове Берлиоза: «...ваша теория и солидна, и остроумна. Впрочем, ведь все стоят одна за другой. Есть среди них и такая, согласно которой каждому будет дано по его вере». Неясное и расплывчатое употребление «Теория » в повседневном языке и выражает логическое данного . Чтобы сделать его более точным, нужно указать по меньшей мере, какой именно логической системой мы пользуемся при выводе следствий.
ИСТОЧНИК : В. С. Швырев. Философский энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия. Гл. редакция: Л. Ф. Ильичёв, П. Н. Федосеев, С. М. Ковалёв, В. Г. Панов. 1983.
ЧТО ТАКОЕ ТЕОРИЯ
Теория выступает как наиболее сложная и развитая форма научного знания; другие его формы - законы науки , классификации , типологии , первичные объяснительные схемы и т. д. - генетически могут предшествовать собственно теории, составляя базу ее формирования; в то же время они нередко сосуществуют с теорией, взаимодействуя с ней в науки, и даже входят в теорию в качестве ее элементов (теоретические законы, типологии, основанные на теории).
Свет, как известно, представляет собой формулу лучевой энергии, испускаемой в виде электромагнитных волн. Эти волны характеризуются длиной волны или их частотой. Зависимость между длимой волны и ее частотой выражается следующим уравнением:
где I - длина волны, v - частота колебаний волны в циклах в секунду, С - скорость света в секунду в вакууме.
Величина, обратная длине волны, определяет число волн, приходящихся на единицу длины, и носит название волнового числа:
Световая энергия, применяющаяся в аналитических целях, ультрафиолетовая видимая, инфракрасная, является определенной частью электромагнитного спектра (табл. 11).
Таблица 11
За пределами 150 х находится область, близкая к микроволнам, а выше 100 нм - близкая к лучам Рентгена.
Применение оптических методов основано на свойстве веществ поглощать световую энергию. При этом используются следующие характеристики свойств света: длина волны (или частота) и интенсивность света.
Длина волны определяет тот предел, до которого луч света способен взаимодействовать с любым веществом, а путем измерения интенсивности света можно количественно определять взаимодействие между веществом и энергией луча света.
При рассмотрении способа взаимодействия вещества и света энергию света представляют разделенной на отдельные единицы, носящие название фотонов, или квантов. Энергия фотона зависит от частоты излучения и определяется уравнением:
где Е - энергия фотона в эргах; v - частота колебания волны в циклах в секунду; h - постоянная Планка, равная 6,624 Х 10 -27 эргов в секунду.
Следовательно, излучение при определенной длине волны состоит из фотонов, имеющих абсолютно равное количество энергии. Интенсивность, или световая энергия, пропорциональна числу фотонов, которые в единицу времени проходят через единицу площади, перпендикулярной к направлению луча света.
Общая энергия молекулы для любого ее состояния может быть выражена следующим уравнением:
Е общ. =Е электр. +Е колеб. +Е вращ.
Каждый из компонентов общей энергии может иметь только определенную величину, называемую энергетическим уровнем. Молекула, у которой электронная, колебательная и вращательная энергии имеют их наименьшее значение, находится в так называемом основном состоянии. В этом состоянии молекула может поглощать энергию, однако лишь в определенных количествах. Если молекула подверглась воздействию фотонов, чья энергия соответствует разности энергии между основным и возбужденным состояниями молекулы, то происходит поглощение молекулой энергии и вследствие этого молекула переходит на более высокий энергетический уровень.
Более высокие уровни называют первым, вторым и т. д. возбужденными состояниями. Каждому электронному уровню соответствует одно Основное и несколько возбужденных колебательных состояний, аналогично каждому колебательному уровню соответствует один основной и несколько возбужденных вращательных уровней.
С другой стороны, если существует значительная разница в энергии фотонов и разности энергий двух состояний, может не быть никакого поглощения.
Таким образом, электронные, колебательные и вращательные энергии молекулы могут иметь только определенные, дискретные значения, иначе говоря, энергии в молекуле квантизированы.
Поглощение молекулой излучения может привести в зависимости от энергии фотона к следующим изменениям:
а) увеличению электронной энергии вследствие перераспределения электронов и перехода их на более высокий уровень;
б) увеличению колебательной энергии (распределение энергии между двумя ядрами);
в) увеличению вращательной энергии (ускорение вращения диполя).
Если молекула поглощает небольшое количество энергии, излучаемой источником в далекой инфракрасной или микроволновой области, то изменяется только ее вращательная энергия, а электронная и колебательная энергия остаются прежними. Если же источник излучения характеризуется более высокой энергией, соответствующей близкой инфракрасной области, то возрастает как вращательная, так и колебательная энергия молекулы. Излучение более высокой анергии, соответствующей ультрафиолетовой и видимой областям, приводит к изменениям всех трех видов энергии - вращательной, колебательной и электронной. Зависимость между энергией излучения и длинной волны представлена в табл. 12.
Таблица 12
Молекулы вещества очень недолго находятся в возбужденном состоянии, продолжительность их существования порядка Ю -8 сек. Следовательно, энергия не аккумулируется в системе, а вещество немедленно растрачивает избыточную энергию несколькими путями, которые могут быть физическими или химическими.
Энергия может выделиться в виде тепла или флюоресцентного излучения.
Повторное излучение энергии в виде флюоресценции происходит в молекулах, у которых процессы деактивации протекают несколько иначе и полная деактивация путем столкновения или химической реакции затруднена. Такие молекулы могут иметь более высокую колебательную энергию в возбужденном состоянии, чем в основном состоянии. Эта колебательная энергия теряется путем столкновения на высшем электронном уровне, после чего молекула флюоресцирует, т. е. возвращается в основное состояние с выделением энергии в виде излучения. Флюоресцентная энергия меньше по величине, чем энергия падающего света, т. е. имеет большую длину волны. Флюоресценция немедленно прекращается при устранении источника радиации, что и отличает это свойство от фосфоресценции, которая продолжается некоторое время после устранения источника излучения.
Вещество может подвергнуться гомолитической диссоциации или ионизации. Выше уже отмечалось, что излучения разнятся по содержанию энергии в зависимости от длин волн. Для разрыва межатомной связи в молекуле требуется энергия порядка 50-100 ккал/моль; следовательно, для разрыва связи необходимо поглощение квантов видимого света (от 55 до 70 икал/моль) или ультрафиолетового (около 140 ккал/моль).
Изучением химических реакций, возникающих при воздействии электромагнитного излучения, занимается фотохимия.
Определения, связанные с измерением поглощения света, основаны на двух физических законах.
Когда свет проходит через вещество, интенсивность излучения уменьшается по сравнению с интенсивностью излучения, падающего навещество.
Поглощенная интенсивность света равна разности I 0 - I.
Закон Бугера-Ламберта связывает поглощение с толщиной слоя поглощающего вещества и выражается соотношением:
где I 0 - интенсивность излучения, падающего на вещество; I - интенсивность излучения, прошедшего через вещество; b - толщина слоя вещества в сантиметрах; k - показатель поглощения - величина, обратная той толщине слоя, проходя через который поток излучения ослабляется в 10 раз. Второй закон поглощения Беера связывает интенсивность падающего света и света, прошедшего через раствор определенной толщины, с концентрацией раствора. При этом предполагается, что растворитель не поглощает в данной области спектра:
lgIo/I = k 1 c
где k 1 - константа, зависящая от способа выражения концентрации раствора; с - концентрация раствора.
Оба закона могут быть сведены в одно уравнение, которое известно под названием закона Бугера - Ламберта - Беера, закона Ламберта - Беера или просто закона Беера: lglo/I=k 1 bc
Раздел терминологии, относящейся к оптическим методам анализа, остается унифицированным. В данной книге мы следуем практике Государственной фармакопеи X издания с некоторыми изменениями согласно Второму изданию Международной фармакопеи.
Соотношение lg I 0 /I известно как поглощение (А), оптическая плотность (D ), или как экстинкция (Е).
Величина lg Io/I носит название пропускаемости и обозначается Т. Соотношение между пропускаемостью Т и поглощением А определяется следующим уравнением: A=lg 10 (l/T),
Значение k 1 зависит от единиц, в которых выражают концентрацию вещества и толщину слоя. Если выразить с в грамм-молях на 1 л раствора, а Ь в сантиметрах, то коэффициент поглощения будет равен молярному коэффициенту поглощения. Последний изображается греческой буквой ЭПСИЛОН - 8.
Если концентрация выражается в граммах вещества на 100 мл раствора, то эта величина называется удельным показателем поглощения и обозначается символом Е 1% или
Известно также выражение поглощения при концентрации в граммах вещества на 1 л раствора - поглощаемость - а. Эта величина в 10 раз меньше, чем удельный показатель поглощения.
Приведенные ниже формулы определяют зависимость менаду величиной поглощения, Е(1%, 1см), и молярным коэффициентом поглощения.