Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Теория электрической связи. Конспект лекций

Голосов: 0

Издание посвящено базовой дисциплине в системе подготовки бакалавров - Теории электрической связи. Для решения задач анализа систем связи приведены необходимые сведения, содержащие описание моделей сообщений, сигналов, помех, методы формирования и преобразования сигналов. Рассмотрены преобразования сигналов в типовых функциональных узлах систем связи, излагаются основные закономерности и методы анализа потенциальной помехоустойчивости и пропускной способности каналов связи. Изложены основы теории информации и безызбыточного кодирования сообщений, основные модели каналов электросвязи, принципы многоканальной связи и распределения информации. Рассмотрены вопросы оценки эффективности систем связи и основы помехоустойчивого кодирования и его применение в системах связи. Издание предназначено для студентов, обучающихся по направлению 210700 "Инфокоммуникационные технологии и сети связи".

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
     В.А. Григорьев, О.И. Лагутенко, О.А. Павлов,
Ю.А. Распаев, В.Г. Стародубцев, И.А. Хворов




 ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
            КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ




                Санкт-Петербург

                     2012


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

       САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ
       ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ




       ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
                 КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ




                   Санкт-Петербург

                        2012


      Теория электрической связи. Конспект лекций: В.А. Григорьев,
О.И. Лагутенко, О.А. Павлов, Ю.А. Распаев, В.Г. Стародубцев, И.А. Хворов /
под общ. ред. В.А. Григорьева. – СПб: НИУ ИТМО, 2012. – с. 148
      Издание посвящено базовой дисциплине в системе подготовки бака-
лавров: Теории электрической связи. Для решения задач анализа систем свя-
зи приведены необходимые сведения, содержащие описание моделей сооб-
щений, сигналов, помех, методы формирования и преобразования сигналов.
Рассмотрены преобразования сигналов в типовых функциональных узлах
систем связи, излагаются основные закономерности и методы анализа потен-
циальной помехоустойчивости и пропускной способности каналов связи. Из-
ложены основы теории информации и безызбыточного кодирования сообще-
ний, основные модели каналов электросвязи, принципы многоканальной свя-
зи и распределения информации. Рассмотрены вопросы оценки эффективно-
сти систем связи и основы помехоустойчивого кодирования и его примене-
ние в системах связи. В написании принимали участие: В.А. Григорьев –
лекции 1 – 22, О.И. Лагутенко – лекции 2, 5, 9, 10, 21, 22, О.А. Павлов – лек-
ции 1 – 22, Ю.А. Распаев – лекции 7 – 9, В.Г. Стародубцев – лекции 12, 21,
И.А. Хворов – лекции 7 – 10, Е.В. Григорьева – лекция 21, В.О. Аксенов –
лекция 13, К.В. Красовский – лекция 6.
     Издание предназначено для студентов, обучающихся по направлению
210700 «Инфокоммуникационные технологии и сети связи».
      Рекомендовано к печати Ученым советом факультета ИКТ от 18 октяб-
ря 2012 года, протокол №7.


     В 2009 году Университет стал победителем
многоэтапного конкурса, в результате которого
определены 12 ведущих университетов России,
которым присвоена категория «Национальный
исследовательский университет». Министерством
образования и науки Российской Федерации была
утверждена программа его развития на 2009–2018
годы. В 2011 году Университет получил наименование «Санкт-
Петербургский национальный исследовательский университет информаци-
онных технологий, механики и оптики»
      Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, 2012
       Авторы, 2012


                                                     3


                                          СОДЕРЖАНИЕ

     ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................. 6
Лекция 1 Общие сведения о системах связи ................................................. 8
     1.1 Основные понятия и определения ..................................................... 8
     1.2 Этапы развития систем электросвязи................................................ 8
     1.3 Принципы построения систем передачи информации ................... 10
Лекция 2 Системы связи. Каналы связи ..................................................... 14
     2.1 Обобщённые структурные схемы систем передачи информации . 14
     2.2 Характеристики систем передачи информации.............................. 15
Лекция 3 Основные модели сообщений, сигналов и помех...................... 19
     3.1 Модели источников сообщений и математические модели
         сообщений........................................................................................ 19
     3.2 Модели сообщения с ограниченной спектральной плотностью.
         Теорема Котельникова .................................................................... 20
     3.3 Преобразование сообщений в системе передачи информации...... 21
     3.4 Преобразование сообщений в передатчиках СПИ ......................... 22
Лекция 4 Преобразования непрерывных сообщений в передатчиках
          систем связи ................................................................................... 24
     4.1 Цифровые системы........................................................................... 24
     4.2 Аналоговые системы модуляции..................................................... 24
     4.3 Аналитические модели сигналов..................................................... 26
Лекция 5 Модели сигналов и помех ............................................................. 29
     5.1 Геометрические модели сигналов (АМ, ЧМ, ФМ) ......................... 29
     5.2 Общая классификация помех........................................................... 30
     5.3 Характеристики сигналов и помех как случайных процессов....... 32
     5.4 Многомерный закон распределения белого шума с ограниченной
         верхней частотой ............................................................................. 34
     5.5 Распределение огибающей и фазы случайного процесса .............. 34
Лекция 6 Модели каналов связи................................................................... 37
     6.1 Модели каналов связи, общие сведения ......................................... 37
     6.2 Модели непрерывных каналов связи .............................................. 38
     6.3 Прохождение сигналов через каналы с детерминированными
         характеристиками ............................................................................ 39
Лекция 7 Дискретные каналы связи............................................................ 41
     7.1 Классификация дискретных каналов............................................... 41
     7.2 Модель дискретного канала без памяти.......................................... 43
     7.3 Недвоичный симметричный канал .................................................. 44
Лекция 8 Модели потоков ошибок в дискретных каналах ...................... 46
     8.1 Общая характеристика моделей потоков ошибок .......................... 46
     8.2 Модель потока ошибок в дискретном канале связи без памяти .... 47
     8.3 Модель потока ошибок для канала с двумя состояниями.............. 48
     8.4 Независимые ошибки ....................................................................... 48


                                                      4


Лекция 9 Основные положения теории информации ............................... 49
     9.1 Энтропия как количественная мера степени неопределённости ... 49
     9.2 Информационные характеристики источников сообщений .......... 50
     9.3 Понятие информации ....................................................................... 53
     9.4 Информация в сложной системе...................................................... 53
Лекция 10 Устранение избыточности .......................................................... 55
     10.1 Теорема кодирования для канала без помех ................................. 55
     10.2 Кодирование источников сообщений с равновероятными
         символами ........................................................................................ 55
     10.3 Кодирование источников сообщений с неравновероятными
         независимыми символами............................................................... 56
     10.4 Кодирование источников со статистически зависимыми
         символами ........................................................................................ 58
Лекция 11 Кодирование в каналах с помехами.......................................... 59
     11.1 Теорема Шеннона для каналов с помехами .................................. 60
     11.2 Первая теорема Шеннона............................................................... 61
           11.2.1 Прямая теорема Шеннона .................................................. 61
           11.2.2 Обратная теорема Шеннона ............................................... 63
     11.3 Вторая теорема Шеннона ............................................................... 63
     11.4 Теорема Шеннона для непрерывных каналов .............................. 64
Лекция 12 Помехоустойчивое кодирование и его применение
          в системах связи ............................................................................ 66
     12.1 Общая характеристика помехоустойчивого кодирования ........... 66
     12.2 Кодирование помехоустойчивыми кодами................................... 73
     12.3 Декодирование помехоустойчивых кодов .................................... 74
     12.4 Применение помехоустойчивых кодов в системах связи ............ 77
Лекция 13 Информационные характеристики каналов связи ................ 89
     13.1 Энтропия непрерывных случайных величин ................................ 91
     13.2 Случайная величина с максимальной энтропией ......................... 92
     13.3 Энтропия непрерывного случайного сигнала............................... 93
Лекция 14 Оптимальный приём сообщений............................................... 94
     14.1 Критерии минимума среднего риска............................................. 94
     14.2 Критерии и правила принятия решения ........................................ 95
     14.3 Синтез оптимального приёмника двоичных сообщений ............. 97
Лекция 15 Потенциальная помехоустойчивость источников
          сообщений .................................................................................... 100
     15.1 Потенциальная помехоустойчивость приёма двоичных
         сообщений...................................................................................... 100
     15.2 Помехоустойчивость приёма сигнала с амплитудной, частотной
         и фазовой модуляцией, кривые помехоустойчивости ................. 102
     15.3 Согласованный фильтр ................................................................ 104
     15.4 Потенциальная помехоустойчивость приёма недвоичных
         сообщений...................................................................................... 106


                                                      5


Лекция 16 Проблема априорной недостаточности .................................. 109
     16.1 Сущность синхронизации, виды синхронизации ....................... 109
     16.2 Оценка помехоустойчивости приёма при неидеальной
         синхронизации ............................................................................... 110
     16.3 Построение дискриминаторов для оценки параметров
         сигналов ......................................................................................... 111
     16.4 Синтез приёмника с неизвестной амплитудой сигнала.............. 111
Лекция 17 Помехоустойчивость некогерентного приёма сигнала ........ 113
Лекция 18 Принципы построения дискриминаторов ............................. 115
     18.1 Оптимальная оценка параметров сигнала................................... 115
     18.2 Байесовы оценки по критерию минимума среднего риска ........ 116
     18.3 Оценка параметра сигнала в зашумлённом канале измерения .. 117
     18.4 Оценка амплитуды радиоимпульса ............................................. 117
     18.5 Оценка неэнергетических параметров радиоимпульса .............. 119
     18.6 Дискриминаторы оценки параметров сигналов.......................... 120
Лекция 19 Разнесение приёма и передачи................................................. 123
Лекция 20 Передача непрерывных сообщений ........................................ 128
     20.1 Источники непрерывных сообщений .......................................... 128
     20.2 Непосредственная передача сообщений ..................................... 129
     20.3 Оптимальная оценка непрерывных параметров сигнала ........... 130
     20.4 Оптимальный приём непрерывных сообщений.......................... 131
Лекция 21 Эффективность систем связи................................................... 133
     21.1 Помехоустойчивость систем аналоговой передачи сообщений
         при малых помехах........................................................................ 133
     21.2 Показатели эффективности систем связи ................................... 135
     21.3 Предел Шеннона........................................................................... 135
     21.4 Методы модуляции....................................................................... 137
Лекция 22 Сложные сигналы...................................................................... 142
     22.1 Применение сигналов сложной формы....................................... 142
     22.2 Разновидности сигналов сложной формы................................... 143
     22.3 Понятие о хороших корреляционных свойствах сигналов
         сложной формы ............................................................................. 144
     22.4 Способы обработки сигналов сложной формы........................... 146
     РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА.............................................. 148


                                     6

                                ВВЕДЕНИЕ

       Человечество с давних времён мечтало расширить свои возможности
по передаче информации от одного человека другому на любые расстояния
без потери качества. Естественные возможности передачи информации чело-
веком ограничены по способам: передача речи, знаков (руками, пальцами и
пр.), и по дальности: речь можно передать на небольшое расстояние, так как
звук в воздухе быстро затухает и даже использование направленных средств
увеличивает дальность передачи речи не более чем до нескольких сотен мет-
ров. Зрение человека позволяет различать знаки, которые показывает другой
человек, также на незначительном расстоянии, ограничиваемом несколькими
сотнями метров.
       Возможности передачи информации с помощью речи сильно ограни-
чены природой. В частности, скорость распространения звука в воздухе со-
ставляет 330 м/с, поэтому уже на расстоянии 1 км задержка передачи речи
составит 3 с, на расстоянии 10 км – 30 с. Если представить, что с использова-
нием такой системы связи ведут диалог два абонента, то они должны ждать
ответа по полминуты. Для сравнения, скорость распространения электромаг-
нитных волн составляет 300 000 км/с и задержка сигнала на расстоянии 10 км
составляет около 33 мкс. Пропускная способность такого канала тоже не вы-
держивает критики, так как человек использует только небольшую часть зву-
ковых частот: от 30 Гц до 10 кГц (органы речи формируют сигналы в этой
полосе частот, а органы слуха могут воспринимать звуки только в этой поло-
се). Да и сама речь человека сильно избыточна, т. е. использует много лиш-
них звуков, которые не несут никакой информации.
       Поэтому звуковые волны для передачи информации на большие рас-
стояния не используются. Однако сегодня звуковые волны широко исполь-
зуются в системах обработки электрических сигналов (ультразвук в твёрдых
телах в полосе частот до 2 ГГц). Возможна передача с помощью звука сооб-
щений на короткие расстояния.
       Из-за невозможности передачи информации на большие расстояния с
помощью естественных средств человек стал искать способы расширения
своих возможностей по передаче информации за счёт использования различ-
ных физических процессов и явлений.
       Человек использует для передачи информации свет, звук, электричест-
во, электромагнитные волны.
       Наиболее впечатляющих результатов по передаче информации на
большие расстояния человек добился при использовании электромагнитных
колебаний различной природы (радиоволны и световые волны). Сегодня воз-
можна передача голоса, изображений, различных данных на расстояния в ты-
сячи километров с высокой скоростью, позволяющей не только решать зада-
чу общения людей друг с другом, но и решать задачи управления сложными
техническими и технологическими комплексами и системами, распределен-
ными по всей поверхности нашей планеты и вне её пределов.


                                   7

      Основы современной теории электрической связи были заложены в
фундаментальных работах В.А. Котельникова по теории потенциальной по-
мехоустойчивости и К. Шеннона по теории информации. Отдельные вопросы
теории связи рассматривались в более ранних работах X. Найквиста, в кото-
рых сформулирована и доказана теорема отсчётов, в работе Р. Хартли, где
была введена логарифмическая мера количества информации. В создании и
развитии статистической теории связи большую роль сыграли работы
А.Я. Хинчина по корреляционной теории стационарных случайных процес-
сов, А.Н. Колмогорова и Н. Винера по интерполированию и экстраполирова-
нию стационарных случайных последовательностей, А. Вальда по теории
статистических решений.
      Современная теория связи позволяет достаточно полно оценить раз-
личные системы по их помехоустойчивости и эффективности и тем самым
определить, какие из них являются наиболее перспективными. Она достаточ-
но чётко указывает не только возможности совершенствования существую-
щих систем связи, но и пути создания новых, более совершенных систем.
      В настоящее время речь идёт о создании систем, в которых достигают-
ся показатели эффективности, близкие к предельным. Одновременное требо-
вание высоких скоростей и верности передачи приводит к необходимости
применения систем, в которых используются многопозиционные сигналы и
мощные корректирующие коды. Наиболее совершенная система связи долж-
на быть саморегулирующей (адаптивной) системой.
      Знания и умения по дисциплине являются базовой частью общепро-
фессиональной подготовки к самостоятельной инженерно-эксплуатационной
деятельности.


                                    8


                          Лекция 1
              ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ СВЯЗИ

                 1.1 Основные понятия и определения

      Электросвязь – способ связи, при котором сообщения передаются при
помощи электрических сигналов.
      Радиосвязь– способ связи, при котором сообщения передаются при
помощи радиосигналов.
      В теории электрической связи изучается процесс передачи информации.
      Под информацией понимают совокупность сведений о состоянии той
или иной системы, о каких-либо событиях, явлениях и т. д. Для передачи ин-
формации используется какой-либо язык.
      Язык характеризуется совокупностью символов, знаков и правил.
      Совокупность физических элементов (знаков, символов) содержащих
информацию называют сообщением.
      Сообщения передают:
       с помощью физического носителя (письмо, диск, флеш-память и пр.);
       с помощью физических процессов (свет, звук, электрические сигна-
лы, электромагнитные волны).
      В ТЭС мы будем изучать процессы передачи информации с помощью
электрических сигналов и электромагнитных волн.
      Для передачи информации необходимо выполнить следующие действия:
      1) преобразовать сообщение в электрический сигнал;
      2) передать электрический сигнал по среде передачи;
      3) преобразовать электрический сигнал в сообщение.
      Под системами передачи информации (СПИ) будем понимать сово-
купность технических средств, предназначенных для передачи информации и
характеризуемых определённым способом преобразований сообщения в
электрический сигнал на передающей стороне и преобразованием электриче-
ского сигнала в сообщение на приёмной стороне.
      Каналом связи называется совокупность технических средств, предна-
значенных для передачи электрического сигнала (отображающего сообщение).
               1.2 Этапы развития систем электросвязи

      Наиболее яркие моменты истории развития электросвязи можно про-
следить на системах подвижной радиосвязи. Практически у каждого человека
сегодня есть персональный коммуникатор (сотовый телефон, смартфон,
планшетный компьютер, компьютер со встроенным радиомодемом). Такая
возможность имеется благодаря труду огромного количества учёных и инже-
неров, которые разработали и создали сети подвижной радиосвязи от нулево-


                                            9

го поколения до четвёртого, и которые трудятся над созданием сетей пятого
поколения (рис. 1.1).
Нулевой период
до 1980 г




                                 Связь «точка – точка», связь через ретранслятор:
                                                 система «Алтай»
Первое поколение
с 1980 по 1990



                                     Аналоговые системы связи NMT, AMPS
Второе поколение                                 2G: CDMA 800
с 1990 по 2000                       Цифровые системы связи GSM, DAMPS
                                               DECT, Iridium, GS
Третье поколение                      3G: IMT 2000, UMTS, HSPA, HSDPA,
с 2000 по 2010                                     CDMA 450
                                  Системы радиосвязи с расширенным спектром
Четвёртое поколение с           4G: Когнитивные, адаптивные системы радиосвязи
2010 по 2020?                            совместно с проводными сетями
Пятое поколение               Сети на основе концепции SoftRadio, полная адаптация
2020?
             Рис. 1.1. Этапы развития сети подвижной радиосвязи
      Системы спутниковой связи являются наиболее дорогими и сложными
с точки зрения реализации, но позволяют решать задачи доставки сигналов
                                    КА
                                   БКР


                   телеметрия

                                   КИС


                                ОКИК
                                                             ЦОТИ
                        КИС      УС
                                                               ЦУ

  КА – космический аппарат; БКР – бортовой комплекс радиосвязи; КИС – командно-
   измерительная система; ОКИК – отдельный командно-измерительный комплекс;
  УС – узел связи; ЦУ – центр управления; ЦОТИ – центр обработки телеметрической
                                    информации
      Рис. 1.2. Схема построения сети телевизионного и радиовещания



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика