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.
                                            10

сразу на огромные территории на поверхности Земли. Поэтому на их основе
строят сети телевизионного и радиовещания и системы региональной и гло-
бальной связи (рис. 1.2).
      В рамках модели открытых информационных систем (рис. 1.3) мы бу-
дем заниматься физическим и канальным уровнями, отвечающих за форми-
рование, обработку, прием сигналов и обмен сообщениями.

                       прикладной                        прикладной
                    представительский                 представительский
                        сеансовый                         сеансовый
         уровни       транспортный                      транспортный
                         сетевой                           сетевой
                        канальный                         канальный
                       физический                        физический
             Рис. 1.3. Модель открытых информационных систем


        1.3 Принципы построения систем передачи информации

       Системы электрической связи являются важнейшим классом систем
передачи информации, в которых полезные сообщения передаются с помо-
щью электрического сигнала.
       Полезные сообщения S(t) такие, как, например, речь, данные, видео-
изображения и пр. отображаются однозначным образом в множество элек-
трических сигналов {uS(t)} на передающей стороне (при помощи акустоэлек-
трических и светоэлектрических преобразователей). На приёмной стороне
множеству полученных электрических сигналов u * (t ) сопоставляют возмож-
                                                          S
                  *
ные сообщения s (t) и, тем самым, восстанавливают сообщение, передавае-
мое от одного абонента к другому.
       Сложность передачи сообщений заключатся в том, что передаваемый
uS(t) и принимаемый u * (t ) электрические сигналы отличаются друг от друга
                          S
из-за того, что кроме полезного сигнала в канале связи действуют мешающие
колебания [шум n(t), помехи от других источников сигналов, от других тех-
нических средств, генерирующих электромагнитные колебания и пр.].
       Поэтому в общем случае
                                        u * (t )  uS(t),
                                          S
что приводит к неоднозначности восстановления на приёмной стороне пере-
данного сообщения.
       Разница (t) = u * (t ) – uS(t) представляет собой электрические колебания
                        S
совокупности шума n(t) и помех П(t):
                                      (t) = n(t) + П(t).
       Простейшим примером системы передачи сообщений (информации)
является акустическая система передачи речи от одного человека (абонента)


                                    11

к другому (абоненту). Система образована «передатчиком» (речевой тракт,
включая гортань, голосовые связки, полости носа и рта, язык, губы и зубы),
каналом передачи акустических волн и приёмником (слуховым аппаратом,
включая ушные раковины, барабанные перепонки и часть мозга, выполняю-
щую детектирование и обработку сигналов). Каждому сообщению соответст-
вует свой акустический сигнал (слово, предложение и пр.). Слова формиру-
ются из алфавита, а сообщение – из слов (алфавита слов).
         При передаче речи от одного абонента к другому в полнейшей тишине
на небольшом расстоянии громкость речи (мощность генерируемых акусти-
ческих волн) может быть минимальна, но при этом будет обеспечен правиль-
ный приём сообщений, так как нет шума и затухания волн,
т. е. u * (t ) = uS(t),поэтому канал является идеальным.
        S
         Если расстояние между собеседниками увеличивать, то постепенно
громкость речи необходимо будет также увеличивать, а на расстояниях в не-
сколько десятков метров придётся кричать для того, чтобы передать те же
сообщения.
         Если в тракте передачи присутствует шум, например, разговор других
людей, шум двигателя, технических устройств (например, пылесоса, звонка и
пр.), то даже при небольшом расстоянии требуется говорить громко. При
этом чем громче шум, тем громче должен быть голос. Если стоять рядом с
самолётом с работающими двигателями, то придётся кричать, чтобы хоть
что-то разобрать.
         Из приведённого примера можно сделать следующие важные выводы.
         1. Для передачи сообщений служит алфавит (слова, буквы), ставящий в
соответствие сообщению сигналы. Сигналов должно быть столько, чтобы воз-
можной оказалась передача всех сообщений. Сигналы должны различаться.
         2. При передаче сообщений важнейшей характеристикой является со-
отношение мощности полезного сигнала и мешающего шума.
         Однако если сообщения передаются сигналами с малым отличием, то
даже при небольшом шуме их различить будет сложно. Например, различить
двух близнецов, если показывают фотографии одного, а затем второго чело-
века, очень трудно, а двух разных людей, даже если фотографии искажены,
значительно проще, и чем больше различие, тем проще различить (например,
африканец и европеец).
         Поэтому основной целью теории электрической связи (ТЭС) является
нахождение такого множества сигналов {uS(t)}, чтобы передача сообщений
происходила с минимальными искажениями и с минимумом затрат.
         Обобщённая структурная схема системы передачи информации (СПИ)
приведена на рис. 1.4.
         В структуру СПИ входят источник сообщения (ИС), кодер источника
(КИ), кодер канала (КК), модулятор (М), канал связи (КС), демодулятор (Дм),
декодер канала (ДкК), декодер источника (ДкИ), получатель сообщения (ПС).


                                                            12

                                                       y(t) = uS(t) + П(t)               <x1*,...,xk*>

 ИС        КИ         КК                М               КC            Дм             ДкК            ДкИ            ПС

    {S(t)} <x1,...,xk>                  {uS(t)}                    <x1*,...,xk*,1*,...,r*>              {S(t)}
                                                        П(t)
                   <x1,...,xk,1,...,r>
           Рис. 1.4. Структурная схема системы передачи информации
     Основной целью построения систем передачи информации является
наиболее точное воспроизведение передаваемого сообщения S(t) на приём-
ной стороне S*(t). Погрешности воспроизведения присутствуют из-за иска-
жений сигналов в элементах СПИ и действия помех. Влияние помех и иска-
жений можно минимизировать выбором параметров сигналов и элементов
СПИ (КИ, КК, М, Дм, ДкК, ДкИ).
     Общую задачу, решаемую в ТЭС для СПИ, можно сформулировать
следующим образом: найти такие операторы формирования (передачи) и об-
работки (приёма) сигналов, чтобы различие между передаваемым и прини-
маемым сигналами было минимальным:
                                        *
                            (S             S )W ( S * , S )dSdS *  ( S *  S )  min ,                         (1.1)
                                                                                               
                           
                               S ,S *

где  – вектор параметров элементов СПИ и сигнала;  S ,S * – область суще-
ствования S и S* в пространстве сигналов; W(S, S*) – функция распределения
вероятностей сигналов S и S*.
      Левая часть в формуле (1.1) является функцией параметров СПИ, т. е.
                                                               2
                                        (S *  S )  f ( ) ,                      (1.2)
поэтому для нахождения параметров, обеспечивающих минимальную по-
грешность воспроизведения, можно воспользоваться известными методами
математического анализа. В частности, известно, что минимум функции дос-
тигается в точках, где f/  0 .Однако для нахождения функции f ( ) тре-
буется решение задачи преобразования исходного сообщения S(t) в прини-
маемое S*(t) и нахождение функции совместного распределения вероятностей
                                             W(S, S*).                             (1.3)
       Если представить получаемое сообщение как результат последователь-
ного преобразования исходного сообщения в преобразователях соответст-
вующих элементов СПИ, то решение задачи может быть представлено сле-
дующим образом
                 S * (t )  LДкИ {LДкК {LДм {LКС (n(t ), LМ {LКК {LКИ ( S )}})}}}, (1.4)
т. е. необходимо найти преобразование процесса S(t) в преобразователях Li и
на основании этого определить характеристики выходного процесса S*(t).
       В общем случае эта задача очень сложна. Поэтому решают последова-
тельно ряд вспомогательных задач, в которых определяют преобразования
соответствующих сигналов. Как правило, центральное место занимает задача


                                     13

передачи множества сигналов {u S i (t )} по каналу связи, преобразования сиг-
налов в канале связи и приёма в приёмнике (демодуляторе). Остальные зада-
чи нахождения преобразований в КИ, КК, ДкК и ДкИ используют получен-
ные результаты в качестве исходных данных.


                                                         14


                                ЛЕКЦИЯ 2
                       СИСТЕМЫ СВЯЗИ. КАНАЛЫ СВЯЗИ

  2.1 Обобщённые структурные схемы систем передачи информации

      Линия связи – это совокупность технических средств, служащих для ор-
ганизации на единой технической основе одного или нескольких каналов связи.
      Классификация СПИ:
       по количеству каналов: одноканальные, многоканальные;
       по виду сообщений: аналоговые, дискретные, цифровые.
      Одноканальная аналоговая СПИ предназначена для передачи сообще-
ний по одной линии связи и имеет вид, показанный на рис. 2.1.
               s(t)          xs( t)          u s(t)            y(t)          x*s (t)            s *(t)
        ИС             КИ             М                 КC             Дм              ДкИ               ПС


                                      Ген             помехи           Ген

         Рис. 2.1.Структурная схема одноканальной аналоговой СПИ
На рис. 2.1 обозначено: ИС – источник сигнала; КИ – кодер источника, в нём
происходит преобразование сообщения в электрический сигнал; КС – канал
связи (конкретная физическая среда), на выходе которого действует сигнал
y(t) = us(t)+n(t); М – модулятор, предназначен для согласования параметров
электрического сигнала на выходе КИ с параметрами КС; ДМ – демодулятор,
служит для обратного преобразования (по сравнению с модулятором) сигна-
ла из канала связи в сигнал сообщения; ДКИ – декодер источника, преобра-
зует сигнал сообщения в удобный для восприятия абонентом вид; ПС – по-
лучатель сообщения.
       Одноканальная дискретная СПИ показана на рис. 2.2.
        s(t)                xs(t)               us(t)                 y(t)             x*s(t)            s*(t)
 КИ               КК                   М                 КС                  ДМ                  ДИК             ДКИ

        ЗАС                                                                                              ЗАС
  ИС                                   Ген              помехи               Ген                                 ПС
 {si}
                                                                                       УС

         Рис. 2.2. Структурная схема одноканальной дискретной СПИ
      В КИ происходит кодирование сообщений (устраняется избыточность),
сообщение преобразуется электрический сигнал. При необходимости произ-
водится безызбыточное кодирование и каждому сообщению ставится в соот-
                                    i    i       i
ветствие кодовая комбинация si   x1 , x2 , , xn  .


                                       15

      В кодере канала (КК) кодовая комбинация преобразуется в комбина-
цию с избыточными элементами. Для согласования параметров кода со ста-
тистикой помех на КС, т. е. применяется помехоустойчивое кодирование.
      Модулятор сигналам ставит в соответствие канал, т. е. согласует пара-
метры сигнала с параметрами канала связи.
      Демодулятор преобразует входной сигнал из канала связи y(t) в после-
довательность символов.
      Декодер источника (ДКИ) совершает обратное преобразование последо-
вательности символов, поступающей из декодера канала (ДКК) в сообщение.
      Устройство синхронизации (УС) согласует процесс передачи и приёма
(по времени, частоте и другим параметрам).
      Многоканальная СПИ (дискретная) предназначена для передачи мно-
жества сообщений по одной линии связи и представлена на рис. 2.3.
  ИС1    КИ1       КК1   УФКС          КК                  ДКК         УВКС1
                                  У
                                  Ф
                                  М         М         КС          ДМ   Ген

  ИСп    КИп       ККп   УФКС     С
                                            Ген                        УВКС2
                                                                 УС

                            ДКК       ДКИ       ПС1

                              ДКК      ДКИ        ПС2

               Рис. 2.3. Структурная схема многоканальной СПИ
     Устройство формирования канального сигнала (УФКС) формирует
сигнал одного канала за счёт внесения изменений, позволяющих выделить
сигнал на приемной стороне. Чаще всего используется принцип ортогонали-
зации сигналов по частоте, времени, коду, поляризации, пространству и ком-
бинации.
     Устройство выделения канального сигнала (УВКС) позволяет выделить
сигнал отдельного канала за счёт информации об ортогональных признаках,
которая определяется протоколом обмена и способом передачи.
           2.2 Характеристики систем передачи информации

     Функциональные характеристики:
      пропускная способность – максимальная скорость передачи инфор-
мации при фиксированных условиях;
      вид среды распространения сигнала: с использованием направляю-
щих систем (проводная связь, ВОЛС, волноводы), без использования направ-
ляющих систем (радиосвязь, оптическая связь, ультразвуковая связь);


                                   16

        параметры передатчика: мощность излучения, полоса частот сигна-
ла, вид сигнала и способ его формирования, стабильность частоты и номина-
лы частот и пр.;
        параметры приёмника: тип обрабатываемого сигнала, чувствитель-
ность (реальная, пороговая), избирательность, показатели качества приёма
информации, необходимая полоса частот;
        параметры полезного сигнала: вид модуляции, способ отображения
информации на параметры сигнала (маппирование);
        достоверность передачи информации (вероятность правильного
приёма на бит, байт, пакет; отношение сигнал/шум, распознаваемость речи);
        вид модуляции сигналов: класс излучения.
       Характеристики надёжности:
        надёжность – свойство средства связи функционировать без отказов;
        долговечность – свойство средства связи функционировать без отка-
зов некоторый промежуток времени с заданной вероятностью;
        ремонтопригодность – способность ремонта при отказах;
        коэффициент готовности (Kг) – вероятность безотказной работы в
заданный момент времени;
        время наработки на отказ – интервал времени, за который наступает
отказ.
       Характеристики совместимости:
        экологическая совместимость – способность не наносить недопус-
тимого ущерба окружающей среде;
        электромагнитная совместимость – способность не создавать недо-
пустимых помех другим техническим средствам и не воспринимать помехи
со стороны других технических средств;
        эргономическая совместимость – способность удобного взаимодей-
ствия с человеком;
        безопасность – способность не причинять недопустимого вреда че-
ловеку и биологическим объектам.
       Характеристики устойчивости:
        помехоустойчивость – способность противостоять вредному влия-
нию непреднамеренных помех;
        помехозащищённость – способность противостоять вредному влия-
нию преднамеренных помех;
        разведзащищённость – способность противостоять раскрытию факта
работы средства связи;
        имитостойкость – способность противостоять раскрытию структуры
сигнала и формированию сигнала, подобного полезному;
        устойчивость к механическим и климатическим воздействиям – спо-
собность работать без отказов в условиях допустимых воздействий механи-
ческих и климатических факторов;


                                         17

        устойчивость к специальным воздействиям – способность функцио-
нировать без отказов в условиях воздействия специальных воздействий;
        массогабаритные и стоимостные характеристики.
       Пропускная способность СПИ – это максимальная скорость передачи
информации, которая возможна при заданной достоверности.
       Достоверность – это характеристика верности передачи информации,
определяемая в соответствии с критериями достоверности:
   вероятностные критерии                             Pош
       – зависимость средней вероятности 1 0,5
ошибки на бит от отношения сигнал/шум
                                                      10–2
                     E 
(рис. 2.4) – Pош  f  c  . Здесь Ec – энергия 10–4
                     N 
                      0
                                                        –6
сигнала; N0 – спектральная плотность шума, 10
                                                                                   h02
N0 = KБT, КБ= 1,3810–23 Вт/Гц; К – постоянная             0         10       10 2

Больцмана, КТ = –174 дБВт/Гц при 17С Рис. 2.4. График зависимости
(290 К).                                              средней вероятности ошибки
            энергетические критерии:                         на бит от отношения
– отношение сигнал/шум по мощности                               сигнал/шум
                                  Pc
                          hс/ш  2 ; 2 = N0F; Eс = PcT,
                            2
                                         ш
                                 ш
где T – время;
       – энергетическое отношение сигнал/шум
                                2    Pc             2
                               h0  2 Tc Fc  hс/ш B ,
                                     ш
где F – полоса частот, занимаемая сигналом; B = Tc Fc – база сигнала.
       Выигрыш от обработки сигнала в приёмном устройстве:
                                            2
                                           hс/ш вых
                                      g 2
                                           hс/ш вх
       – показатель качества обработки, хорошо когда g > 1;
       – артикуляционный критерий (применяется для передачи речевых сиг-
налов) – разборчивость речи. (ГОСТ 51061 слоговая и фразовая разборчи-
вость).
       Основная задача заключается в минимизации
                                      Pош  min.
       Помехоустойчивость – это способность СПИ противостоять вредному
влиянию помех.
       Помехозащищённость – это способность СПИ противостоять вредному
влиянию преднамеренных помех.
       Вероятность помехозащищённости:
                               Рпмз = 1 – Робн Ризм Рнр ,


                                            18

где Робн – вероятность обнаружения; Ризм – вероятность измерения; Рнр – ве-
роятность нарушения работы; Робн Ризм – скрытность; Рнр – помехоустойчи-
вость; Рскр = 1 – Робн – вероятность скрытной работы.
      Скрытность подразделяется на:
       э н е р г е т и ч е с к у ю , которая характеризует способность проти-
востоять мерам, направленным на обнаружение сигнала разведывательным
приёмным устройством;
       с т р у к т у р н у ю , которая характеризует способность противосто-
ять мерам, направленным на раскрытие структуры сигнала:
                                       us(t) + (t);
                     T                                 T

                      (u S (t )  П(t ))u S (t )dt   u S (t )u S (t )dt ;
                     0                                 0
      и н ф о р м а ц и о н н у ю , которая характеризует способность СПИ
противостоять мерам, направленным на раскрытие сигнала передаваемой ин-
формации;
      к р и п т о с т о й к у ю , которая характеризует трудность расшиф-
ровки передаваемых сообщений
     (ЗАС)ПРД 110 110                         ПРМ       011 011
                    
            101 101 101 101
                      011 011 110 110;
      и м и т о с т о й к у ю , которая характеризует трудность создания
помех, похожих на передаваемые сигналы.


                                                  19


                        Лекция 3
      ОСНОВНЫЕ МОДЕЛИ СООБЩЕНИЙ, СИГНАЛОВ И ПОМЕХ

       3.1 Модели источников сообщений и математические модели
                              сообщений

      Источники сообщений генерируют сообщения, которые преобразуются
в электрические сигналы, которые передаются по каналу связи. Источники
сообщений бывают непрерывными и дискретными.
      Непрерывные источники сообщений генерируют бесконечное множе-
ство сообщений.
      Дискретные источники сообщений генерируют дискретное множество
сообщений.
      Дискретные источники могут быть источниками с независимыми сим-
волами и зависимыми символами, равномерным распределением символов и
неравномерным распределением символов (табл. 3.1).
                                                                                       Таблица 3.1
                         Классификация источников сообщений
Вид источника сообщений                  Распределение символов
1. Непрерывные          марковские;
                        немарковские.
2. Дискретные           с равномерно распределенными независимыми символами;
                        с неравномерно распределенными независимыми символами;
                        с неравномерно распределенными зависимыми символами;
3. Цифровые             с равномерно распределенными независимыми символами;
                        с неравномерно распределенными независимыми символами;
                        с неравномерно распределенными зависимыми символами;
      Все сообщения являются случайными процессами S(t). Случайным па-
раметром у сообщения всегда является информационный параметр
                                             S(t) = f(t, u).
Для задания сообщений используются два вида моделей: явные и косвенные.
      В явном виде сообщения задаются с помощью дифференциальных
уравнений, разностных уравнений, алгебраических, в виде функций времени
                          dS (t )            d n S (t )                     dn(t )            d m n (t )
       a  a0 S (t )  a1          ...  an             b0  b1n(t )  b2         ...  bm
                           dt                  dt n                          dt                 dt m
где S(t) – сообщение; n(t) – белый шум.
      В косвенном виде сообщения описываются функцией распределения
вероятности и всеми остальными способами описания случайных величин.
      Белый шум – это специальный случайный процесс, у которого корре-
ляционная функция определяется дельта – функцией ():
                                           B() = ()N0 / 2,



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика