Каналы электросвязи; теория передачи и кодирования сообщений; помехоустойчивость.

Под каналом связи понимают совокупность линейных и станционных сооружений, обеспечивающих передачу данного вида информации. Характеристики каналов связи должны соответствовать характеристикам сигналов, на передачу которых рассчитаны каналы данного типа. Для передачи телефонных сигналов используют каналы, получившие название каналов тональной частоты. Канал связи осуществляет передачу сигнала от некоторой точки А до точки Б.

Если сигналы, поступающие на вход канала и снимаемые с его выхода, являются дискретными (по уровням), то канал называется дискретным. Если входные и выходные сигналы канала являются непрерывными (по уровню), то и каналназывается непрерывным.Встречаются также дискретно-непрерывныеи непрерывно-дискретныеканалы, на вход которых поступают дискретные сигналы, а с выхода снимаются непрерывные, или наоборот. Канал может быть дискретным или непрерывным независимо от характера передаваемых сообщений. Более того, в одной и той же системе связи можно выделить как дискретный, так и непрерывный канал.

Канал связи можно характеризовать так же, как и сигнал, тремя параметрами: временем Т_к, в течение которого по каналу возможна передача, динамическим диапазоном D_K и полосой пропускания канала F_к. Под динамическим диапазоном канала понимают отношение допустимой мощности передаваемого сигнала к мощности неизбежно присутствующей в канале помехи, выраженное в децибелах. Общие признаки непрерывных каналов:

1. большинство каналов можно считать линейными, выходной сигнал в этих каналах является суммой откликов отдельных входных сигналов и помех (применим принцип суперпозиции), а продукты нелинейных преобразований в канале малы по сравнению с выходными сигналами.

2. на выходе канала даже в отсутствие полезного сигнала всегда имеются помехи.

3. сигнал при передаче по каналу претерпевает задержку по времени и затухание по уровню.

4. в реальных каналах всегда имеют место искажения сигнала, обусловленные несовершенством характеристик канала и нередко изменениями параметров канала во времени. Обобщённой характеристикой канала является его ёмкость (объём).

V_k = T_k * F_k * D_k

Необходимым условием неискажённой передачи по каналу сигналов с объёмом Vc, очевидно, должно быть V_c < V_K.

Преобразование дискретного сообщения в сигнал обычно осуществляется в виде двух операций — кодирования и модуляции.Кодирование представляет собой преобразование сообщения в последовательность кодовых символов, а модуляция — преобразование этих символов в сигналы, пригодные для передачи по каналу. С помощью кодирования и модуляции источник сообщений согласуется с каналом.

При кодировании происходит процесс преобразования элементов сообщения в соответствующие им числа (кодовые символы).Каждому элементу сообщения присваивается определённая совокупность кодовых символов, которая называется кодовой комбинацией.Совокупность кодовых комбинаций, отображающих дискретные сообщения, образует код.Правило кодирования может быть выражено кодовой таблицей, в которой приводятся алфавит кодируемых сообщений и соответствующие им кодовые комбинации. Множество возможных кодовых символов называется кодовым алфавитом,а их количество m — основанием кода.В общем случае при основании кода mправила кодирования Кэлементов сообщения сводятся к правилам записи Кразличных чисел в m - ичной системе счисления. Число разрядов n,образующих кодовую комбинацию, называется разрядностью кодаили длиной кодовой комбинации.В зависимости от системы счисления, используемой при кодировании, различают двоичные и m-ичные(недвоичные) коды. По признаку помехозащищённости коды делят на примитивные (первичные)и корректирующие. Коды, у которых все возможные кодовые комбинации используются для передачи информации, называются простыми или кодами без избыточности (примитивными).В простых равномерных кодах превращение одного символа комбинации в другой, например 1 в 0 или 0 в 1, приводит к появлению новой разрешённой комбинации,т.е. к ошибке. Корректирующие кодыстроятся так, что для передачи сообщения используются не все кодовые комбинации, а лишь некоторая их часть (разрешённые кодовые комбинации). Тем самым создаётся возможность обнаружения и исправления ошибки при неправильном воспроизведении некоторого числа символов. Корректирующие свойства кодов достигаются введением в кодовые комбинации дополнительных (избыточных)символов.

Декодирование состоит в восстановлении сообщения по принимаемым кодовым символам. Устройства, осуществляющие кодирование и декодирование, называют соответственно кодером и декодером.Как правило, это логические устройства. На рис. ниже изображена структурная схема системы передачи дискретных сообщений, поясняется процесс преобразования дискретного сообщения в сигнал.

Передаваемое сообщение обозначено буквой a_k, кодированное сообщение (или первичный цифровой сигнал) — b_ц(t), его компоненты b_l⁽ⁱ⁾ (l — номер последовательно передаваемого символа, i —номер позиции кода, i = 0, m-l). Сигнал, поступающий в линию связи обозначен u(t), принятое колебание — z(t), восстановленная последовательность кодовых символов — b^’_ц(t) (её компоненты b^’(i)_l) и декодированное (восстановленное) сообщение — a_v. Обозначения принятых сигналов, кодовых символов и восстановленного сообщения выбраны иными, чем передаваемых. Этим подчеркивается то обстоятельство, что из-за влияния помех принятый сигнал отличается от переданного, а восстановленное сообщение может не совпадать с исходным.

В современных системах передачи дискретных сообщений принято различать две группы относительно самостоятельных устройств: кодеки и модемы.Кодеком называются устройства, преобразующие сообщение в код (кодер) и код в сообщение (декодер), а модемом — устройства, преобразующие код в сигнал (модулятор) и сигнал в код (демодулятор). Канальные устройства(полосовые усилители передатчика и приёмника, корректоры и т.п.) вместе с линией связи образуют непрерывный канал, а последний вместе с модемом — дискретный канал.

При передаче непрерывного сообщения а его сначала преобразуют в непрерывный первичный электрический сигнал b(t), а затем, как правило, с помощью модулятора формируют канальный сигнал u(t), который и посылают в линию связи. Принятое колебание z(t) подвергается обратным преобразованиям, в результате которых выделяется первичный сигнал b^’(t). По нему затем восстанавливается с той или иной точностью сообщение а^’.

При оценки систем связи учитывают, какую точность передачи сообщения обеспечивает система и с какой скоростью передается информация. Первое определяет качество передачи, второе – количество. В реальной системе связи качество передачи зависит от степени искажений принятого сообщения. Эти искажения зависят от свойств и технического состояния системы, интенсивности и характера помех. В правильно спроектированной и технически исправной системе связи необратимые искажения сообщения обусловлены воздействием помех. В этом случае качество передачи полностью определяется помехоустойчивостью системы.

Помехоустойчивость – это способность системы противостоять вредному влиянию помех на передачу сообщений. Так как действие помех появляется в том, что принятое сообщение отличается от переданного, то количественно помехоустойчивость при заданной помехе можно характеризовать степенью соответствия принятого сообщения к переданному (верность). Количественную меру верности выбирают по-разному, в зависимости от характера сообщения и требований получателя. Пусть представляет собой дискретную последовательность элементов из некоторого конечного множества. Влияние помехи на передачу такого сообщения проявляется в том, что вместо фактически переданного элемента может быть принят какой-либо другой, такое событие называется ошибкой. В качестве количественной меры можно взять вероятность ошибки p или любую монотонную функцию этой вероятности.

При передаче непрерывных сообщений степенью соответствия принятого сообщения B^’(t) (с реализацией b^’(t)) переданномуB(t) (с реализации b(t)) может служить некоторая величина, представляющая с собой “расстояние” между b(t) и b^’(t). Часто принимают критерий квадратичного отклонения E²(t)=(B^’(t)-B(t))² (1), где прямая черта сверху означает усреднение по ансамблю случайных величин. Количественную меру верности можно также определить как вероятность того, что уклонение Е не превзойдет некоторой заранее заданной величины e₀: Q = (çЕç £ e₀).

Верность сигнала зависит от отношения средних мощностей и помехи. При данной интенсивности помехи вероятность помехи тем меньше, чем сильнее различаются между собой сигналы, соответствующие разным сообщениям. Задача состоит в том, что бы выбрать для передачи сигналы с большим различием. Так же верность передачи зависит и от способа приема. Необходимо выбрать такой способ приема, который наилучшим способом реализует различие между сигналами при данном отношении сигнала к помехе.

В аналоговых системах даже малое воздействие на сигнал, вызывающее искажение модулируемого параметра, всегда несет за собой внесение соответствующей погрешности в сообщение. В дискретных системах ошибка при передаче сообщений возникает только тогда, когда сигнал опознается неправильно, а это происходит лишь при искажениях, превышающих некоторый порог.

В теории помехоустойчивости, разработанной Котельниковым, показано, что при выбранном критерии и заданным множестве сигналов, принимаемых при аддитивном гауссовском шуме (БГШ), существует предельная (потенциальная) помехоустойчивость, которая ни при каком способе приема не может быть превзойдена. Приемное устройство, потенциальную помехоустойчивость, называется оптимальным (наилучшим) по данному критерию.