КАНАЛЫ СВЯЗИ (Лекции 9, 10)

В результате анализа исследований эффективности и надежности средств связи установлено, что наибольшее число помех и разных мешающих факторов действует на передаваемое сообщение в канале связи, или другими словами, из всех элементов сети наиболее чувствительный к действию помех и других мешающих факторов является канал связи. Поэтому одним из перспективных путей повышения достоверности и надежности сети передачи данных является разработка методов, которые позволяют анализировать и предусматривать аварийные ситуации в каналах связи.

Модель канала

Согласно эталонной модели, каналом передачи данных является совокупность средств двух уровней:

• физического;

• канального.

При использовании цифрового канала вместо модемов применяются контролеры, которые осуществляют связь средств управления с каналом связи.

Источник сообщений – это устройство, осуществляющее выбор сообщений из ансамбля сообщений. Им может быть датчик, ЭВМ и тому подобное. Учитывая, что первичные сигналы часто отождествляют с передаваемыми сообщениями, под источником сообщений понимают источник первичных сообщений разной природы и преобразователя неэлектрической величины в электрическую.

По типу все процессы в системе связи делятся на дискретные и непрерывные (См. раздел 1).

С заданной точностью непрерывное сообщение может быть заменено дискретным (цифровым) путем квантования по времени и уровням. Дискретизация по времени основана на теореме отсчетов [6]. В соответствии с ней сообщение, описываемое функцией времени со спектром, ограниченным верхней частотой , полностью определяется значениями отсчетов, взятых через интервал времени .

Диапазон изменения непрерывных сообщений можно разбить на дискретные уровни с интервалом и непрерывные отсчеты заменить их ближайшими дискретными значениями. Такую замену (см. раздел 1) называют квантованием непрерывных отсчетов, а величину – шагом квантования. Дискретные значения отсчетов можно обозначить символами по аналогии с обозначением внутренних состояний дискретного источника. Совокупность таких символов образует алфавит квантованного сообщения.

Очевидно, объем алфавита совпадает с числом уровней квантования:

.

Максимальная ошибка при такой замене непрерывных значений отсчетов дискретными равна

.

Выбором шага квантования можно всегда обеспечить допустимое значение ошибки.

Таким образом, квантование непрерывных сообщений по времени и по уровню позволяет заменить их (с некоторой контролированной ошибкой) дискретными (цифровыми) и рассматривать как последовательности символов. Очевидно, за время количество символов в последовательности , а число сообщений .

Кодер (кодирующее устройство) служит для преобразования сообщения в первичный электрический сигнал , подаваемый на модулятор.

В узком смысле кодирование – это преобразование дискретного сообщения в последовательность кодовых символов по определенному правилу. Кодирование в широком смысле – это любое преобразование сообщения в сигнал путем установления взаимного соответствия. Множество всех кодовых последовательностей (кодовых комбинаций), возможных при данном правиле кодирования, образует код. Совокупность символов, из которых состоят кодовые последовательности, называют кодовым алфавитом. Количество символов в кодовой комбинации может быть одинаковым или разным. Соответственно различают равномерные и неравномерные коды. Число символов в кодовой комбинации равномерного кода называется длиной кода. Благодаря простоте реализации наибольшее распространение приобрел двоичный код с двумя символами 0 и 1. Последовательности кодовых символов на выходе кодера называются кодовыми комбинациями или кодовыми словами.

При выборе правила кодирования (взаимно-однозначного соответствия между сообщениями и кодовыми комбинациями) могут решаться разные задачи. Это сопоставление может быть выполнено так, чтобы на передачу сообщения тратить в среднем минимальное число сигналов, то есть экономно. В этом случае говорят о статистической или эффективной кодировке. Наилучшим с этой точки зрения является код, при котором, во-первых, есть возможность восстановления первичного сообщения по кодовой комбинации, во-вторых, для представления одного сообщения в среднем нужно минимальное число символов. Первому требованию удовлетворяют обратимые коды, в которых все кодовые комбинации однозначно связаны с соответствующими сообщениями. Код, который удовлетворяет второму требованию, называется экономным.

С другой стороны кодирование может повысить достоверность передачи информации. Для этого используются так называемые помехоустойчивые коды, в которых используется лишь некоторая часть из общего числа возможных кодовых комбинаций. Благодаря этому появляется возможность обнаруживать и исправлять ошибки в принятых комбинациях, что повышает достоверность передачи информации. Таким образом, при кодировании дискретных сообщений кодер преобразует сообщение из одного алфавита в другой. Входным сигналом кодера является случайная последовательность, составленная из дискретных сигналов, чаще всего двоичных. При передаче непрерывных сообщений кодер может отсутствовать, если преобразование непрерывных сообщений в дискретные сигналы не происходит.

Модулятор преобразует первичный сигнал в радиосигнал . Преобразование заключается в изменении одного или нескольких параметров сигнала несущей частоты в соответствии с изменением модулирующего сигнала.

Совокупность операций преобразования сообщения в радиосигнал определяет способ передачи информации. Основным при описании способа передачи является указание типа используемого кода и вида модуляции при передаче дискретных сообщений, а также описание аналого-цифрового преобразования при передаче непрерывных сообщений дискретными сигналами.

В общем случае под каналом передачи информации понимают всю совокупность технических средств, обеспечивающих передачу электрических сигналов от источника сообщений к потребителю. При рассмотрении каналов линию связи чаще всего считают заданной (считается, что все необходимые характеристики линии связи известны) и все задачи анализа и синтеза каналов передачи информации сводятся к анализу и синтезу операторов преобразования сигналов в передатчике, приемопередатчике и других устройствах.

Каналы передачи информации классифицируют по разным признакам: по назначению, по характеру линий связи, по диапазону частот, по характеру сигналов на входе и выходе каналов и тому подобное. В теории передачи сигналов каналы классифицируют по характеру сигналов на входе и выходе. Различают непрерывные, дискретные и дискретно-непрерывные каналы. В непрерывных каналах сигналы на входе и выходе непрерывны по уровням; в дискретных каналах – они соответственно дискретные; а в дискретно-непрерывных – сигналы на входе дискретны, а на выходе непрерывные, и наоборот.

Возможна также классификация каналов по назначению (телеграфные, телефонные, телевизионные, телеметрические и др.), по виду среды распространения (проволочные, кабельные, волноводные и др.) и по диапазону используемых ими частот. К радиодиапазону относят частоты в пределах Гц, что соответствует длинам волн от 108 м до 0.1 мм. Кроме радиодиапазона, в настоящее время широкое распространение нашел оптический диапазон волн. Из-за дискретного характера электромагнитного излучения в оптическом диапазоне волн такие каналы принято называть квантовыми.

По способу распространения радиоволн различают каналы с открытым и закрытым распространением. В каналах с закрытым распространением электромагнитная энергия распространяется по направляющим линиям (кабельные, проволочные, волноводные СВЧ тракты и др.). Для них характерны малый уровень помех и постоянство параметров сигнала, что позволяет передавать информацию с высокой скоростью и достоверностью.

Рассмотрим коротко особенности использования радиоволн разных диапазонов в каналах с открытым распространением. В диапазонах инфранизких (ИНЧ), очень низких (ОНЧ) и низких (НЧ) частот на небольших расстояниях поле в месте приема образуется за счет дифракционного огибания волнами выпуклой поверхности Земли. На больших расстояниях радиоволны распространяются в своеобразном сферическом волноводе, внутренняя стенка которого образуется поверхностью Земли, а внешняя – ионосферой. Такой механизм распространения позволяет принимать сигналы в любой точке Земли, причем параметры принятых сигналов отличаются достаточно высокой стабильностью. Особенностью этих диапазонов является также способность волн проникать в толщу Земли и воды на глубину в десятки метров. Принципиальным недостатком таких каналов является: ограниченная полоса частот и очень большие линейные размеры антенных устройств, соизмеримых с длиной волны, достигающих километров. Сверхдлинные волны применяются для навигации и передачи информации на подводные объекты.

В распространении волн высоких частот (ВЧ) участвует ионосфера: если длина волны больше 1 км отражаются от нижнего ее слоя практически зеркально, то декаметровые волны достаточно глубоко проникают в ионосферу, что приводит к эффекту многолучевости, когда в точку приема приходят одновременно несколько сигналов часто с разным запаздыванием. Декаметровые волны широко применяются для глобальной связи и радиовещания. С их помощью можно передавать информацию сравнительно большого объема в пределах всего земного шара при ограниченной мощности передатчика и небольших по размеру антеннах. Полоса частот передаваемых сигналов в декаметровом канале не превышает десяти килогерц. До появления спутниковых систем связи этот диапазон был единственным пригодным для организации связи между двумя любыми пунктами на Земле без промежуточной ретрансляции.

Средние волны (гектометровые) днем распространяются как земные, а ночью как ионосферные. Дальность распространения земной волны над сушей не превышает 500 км., а над морем 1000 км. Диапазон средних частот широко используется в радиовещании, связи и радионавигации.

Волны диапазона частот от 30 МГц и выше слабо дифрагируют и потому распространяются в пределах прямой видимости. Некоторого увеличения дальности можно достичь с помощью увеличения высоты поднятия антенны, а для организации связи на расстоянии, превышающего прямую видимость, ретрансляцию сигналов. Системы с ретрансляцией сигналов называются радиорелейными линиями. Одним из основных преимуществ высокочастотных диапазонов является большой частотный ресурс, что позволяет создавать радиосистемы передачи информации с высокой скоростью передачи и радиосети с большим числом одновременно работающих радиостанций.

Стремление увеличить ширину полосы частот канала, а также повысить пространственную селекцию сигналов за счет использования остронаправленных антенн при их ограниченных размерах привело к освоению диапазона миллиметровых волн. Главной его особенностью является сильное поглощение радиоволн при дожде и тумане, что ограничивает их использование в наземных системах большой дальности. Однако в космических и спутниковых системах они весьма перспективны.

Рассмотрим особенности передачи сигналов по непрерывному каналу. В разделе 1 мы кратко отметили достоинства и недостатки аналоговых систем связи. Здесь рассмотрим особенности передачи сигналов по непрерывному каналу подробнее.

Радиосигнал испытывает искажения при распространении по каналу. Эти искажения вызваны поглощением и рассеиванием энергии, отражением от неоднородности среды распространения, замираниями сигнала, искажениями сигнала из-за несовершенства аппаратуры передатчика и приемопередатчика. В результате этих изменений принятый полезный сигнал отличается от переданного . Вектор параметров принятого сигнала, кроме параметров получает дополнительные составляющие, например, время запаздывания, доплеровский сдвиг частоты, изменение амплитуды и др. Некоторые из дополнительных параметров на приемной стороне могут считаться известными и их можно учесть при приеме сигнала. Например, ослабление сигнала легко компенсируется соответствующим усилением в приемопередатчике.

Для передачи сообщений наиболее опасными являются искажения полезного сигнала, связанные с изменением его информационных параметров. Поскольку физические процессы, которые происходят с излученным сигналом в канале, сложны и не поддаются простому математическому описанию, то предложены многочисленные модели каналов, которые отображают реальные процессы с разной степенью подробностей.

Кроме излученного сигнала на антенну приемопередатчика поступают сигналы от посторонних источников и создают помехи приема полезного сигнала. Природа помех разнообразна. Внешними помехами могут быть естественные электромагнитные процессы, которые происходят в атмосфере, ионосфере, космосе, а также сигналы других радиотехнических систем. К внутренним помехам относятся флуктуационные шумы приемопередатчика, нестабильности питающего напряжения и параметров элементов приемопередатчика. В большинстве случаев помехи суммируются на входе приемопередатчика с полезным сигналом и потому называются аддитивными. Чаще всего принимается гипотеза о том, что эти помехи являются нормальным белом шумом с нулевым средним значением и спектральной плотностью .

Таким образом, исходный сигнал канала часто можно представить в виде аддитивной модели

,

где – принятый с искажениями полезный сигнал с параметрами .

Данная модель не описывает много практических случаев, когда прием полезного сигнала может происходить в условиях узкополосных и импульсных помех, а также замираний сигнала (мультипликативных помех).

Демодулятор и декодер выполняют операции по преобразованию принятого сигнала в сообщение. Демодулятор выделяет сигнал , который модулирует несущую частоту принятого колебания. Декодер по этому сигналу находит сообщение . Преобразование сообщение в сигнал, выполненное на передающей стороне, а преобразование сигнала в сообщение на приемной стороне являются взаимозависимыми операциями (см. раздел 1). Поэтому кодер и декодер, модулятор и демодулятор принято объединять и рассматривать как единственное устройство.

Искажение принятого сигнала и помехи сообщения , которое направляется получателю, может отличаться от сообщения источника. Степень соответствия и зависит от операций, которые определяют способ передачи, от уровня сигнала и помех, от свойств канала связи и от вида преобразования сигнала в сообщение на приемной стороне. Основной операцией при приеме непрерывных сообщений является демодуляция, то есть выделение сообщения , модулирующего несущую частоту принятого сигнала .

Совокупность операций преобразования сигнала в сообщение называется способом приема.

При передаче дискретных сообщений различают прием в целом и поэлементный (посимвольный) прием.

Суть приема в целом заключается в том, что на приемной стороне определяется расстояние между принятым сигналом и всеми образцами ожидаемых сигналов. Тот образец, который ближе всех остальных образцов к принятому сигналу, и рассматривают как переданный сигнал, Этот выбор осуществляет специальная решающая схема. Число образцов должно равняться числу возможных сообщений источника. Прием в целом является оптимальным, однако его реализация требует значительного объема оборудования.

При посимвольном приеме преобразование сигнала в сообщение происходит в два этапа с помощью двух решающих схем. На первом этапе непрерывное колебание преобразуется демодулятором в последовательность дискретных сигналов (символов кодового алфавита) . Во второй решающей схеме производится коррекция ошибок в последовательности сигналов с выхода первой решающей схемы. На выходе второй решающей схемы формируются символы сообщения.

Техническая реализация посимвольного приема обычно значительно проще, чем прием в целом. Поэтому, несмотря на проигрыш в помехоустойчивости, посимвольный прием нашел наибольшее распространение в системах передачи дискретных сообщений.

Характеристики канала

Распределение вероятности, отдельные параметры и системные функции, отображающие случайные факторы и влияющие на качество передачи информации, составляют множество статистических характеристик канала.

Характеристики непрерывного канала связи называются первичными. Они отображают главным образом грубые искажения сигнала: нестабильность генераторов несущих частот, скачки и дрожания фазы, замирания в радиоканалах и изменения остаточного затухания в кабельных и воздушных линиях, флуктуационные шумы, импульсные и гармоничные помехи, перерывы и нелинейность преобразований, амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики.

Самой полной характеристикой качества дискретного канала является статистика ошибок, возникающих при передаче информации.

Перечень характеристик, которые нужно учитывать, в каждом конкретном случае зависит от специфики данного задания и типа используемого канала. Важной характеристикой любого канала является его пропускная способность С – максимально возможная скорость передачи информации, то есть максимальное количество информации, которое может быть передано по каналу за единицу времени (обычно С измеряется в двоичных единицах информации в сети).

Характеристики ошибок в дискретном канале

Как показывает анализ экспериментальных данных, можно сделать следующие выводы о характере ошибок в реальных каналах.

Реальные дискретные каналы в общем случае синхронизированы неидеально, они нестационарны, несимметричны и имеют память. Ошибки синхронизации (выпадение и вставки символов) связаны с нестабильностью генераторного оборудования и нарушением принудительной синхронизации при воздействии сильной помехи.

Нестационарность обусловливается наличием детерминированной составляющей в процессах, которые влияют на закономерность возникновения ошибок. Как правило, регулярные изменения статистических параметров дискретного канала происходят достаточно медленно и в не очень широких пределах.

Несимметричность реальных каналов обычно имеет сложный характер. Одной из мешающих причин является инерционность решающих устройств, а также наличие прерываний в канале. Воздействие сильной мультипликативной помехи при малой аддитивной помехе приводит к тому, что решающее устройство во многих каналах хранит состояние, соответствующее последнему решению, принятому перед прерыванием. При этом во время прерывания дискретный канал становится практически асимметричным. Другой причиной могут быть дискретные воздействия сильной аддитивной помехи одного знака, что приводит к выдаче решающим устройством символов одного вида. Важно отметить, что в обоих случаях симметрия нарушается, когда исходные символы не зависят от входных (является искаженными).

Память в реальных дискретных каналах проявляется в группировании ошибок. Это связано с тем, что длительность отдельных мешающих воздействий часто превышает длительность отдельных символов, и одно воздействие подавляет сразу группу символов. Возникают относительно длинные серии искаженных символов – пакеты ошибок. Группирование ошибок во многих реальных каналах имеет весьма сложный характер (ошибки группируются в пакеты, пакеты – в более сложные структуры и так далее).

Следует отметить, что ошибки синхронизации, нестационарность и асимметрия реальных дискретных каналов исследованы менее детально, чем память. Большинство моделей построено в предположении, что канал идеально синхронизирован, стационарен и симметричен.

Требованию простоты и удобства удовлетворяет модель стационарного симметричного двоичного дискретного канала без памяти и отсутствия стираний. Моделью потока ошибок в таком канале служит биномиальная модель, которая характеризуется одним параметром – вероятностью неверного приема единичного элемента, основанной на предположении независимости возникновения ошибок. Однако для большинства реальных каналов она оказывается непригодной. Модели реальных дискретных каналов, должны основываться на результатах тестовых (испытательных) передачах символов по дискретным каналам, что позволяет делать определены качественные выводы о характере ошибок.

Основные модели источника ошибок

Моделей источников ошибок (ИО) существует много. Мы коротко остановимся на одной из них.

6.1. Описание источника ошибок на основе цепи Маркова [1, 3]

Хорошего согласования модели ИО с экспериментальными данными можно достичь с помощью наиболее универсальных способов, используя многомерные распределения или многомерную переходную вероятность, последовательные или интервальные. Однако трудности, связанные с их заданием и использованием, заставляют искать более удобные способы описания, по возможности используя систему одномерных распределений или переходной вероятности.

Один из таких способов заключается в представлении двоичной последовательности с помощью простой цепи Маркова, которая определяется матрицей вероятностей переходов.

Марковские процессы являются особым видом случайных процессов. Однако они занимают особенное место среди других разновидностей случайных процессов. Объясняется это двумя причинами.

Существуют, по крайней мере, две причины, по которым модели сигналов и систем, в основе которых лежит теория марковских процессов, занимает особое место:

▪ для марковских процессов разработан удобный математический аппарат, позволяющий решать многие задачи, часто встречающиеся на практике;

▪ с помощью марковских процессов можно описывать точно или приближенно поведение ряда реальных физических систем и устройств.

Перечислим лишь некоторые задачи анализа и синтеза систем, которые можно решать на базе теории марковских процессов.

1) При анализе прохождения случайных сигналов через линейные и нелинейные динамические системы, как правило, нет точных методов определения плотности вероятности мгновенных значений колебаний на их выходе. Исключением, как вы должны знать, является линейное преобразование гауссового случайного процесса (ГСП), при котором свойство гауссовости (нормальности) сохраняется. В иных случаях придется использовать трудоемкий приближенный аппарат вычисления моментов со следующим восстановлением по ним плотности вероятности. В том случае, когда процесс, влияющий на систему (линейную или нелинейную), является марковским процессом (МП), существуют методы непосредственного вычисления вероятностных характеристик колебания на выходе.

2) Предположим, что поведение некоторой системы можно представить как движение некоторой точки, отображающей ее состояние. Причем это движение происходит при наличии определенных ограничений так, что при достижении некоторого предела нарушается нормальная работа системы. Ситуации такого рода возникают при работе разного рода следящих систем. Такие задачи аналитически могут быть решены лишь для МП.

3) Наиболее полные и продуктивные результаты в области синтеза оптимальных систем при наличии случайных воздействий с известными или неизвестными характеристиками удается получить для МП.

Выше было подчеркнуто, что особое место МП во многом определяется тем, что разработан удобный и красивый математический аппарат их анализа. Поскольку много аналитических методов решения ряда задач радиотехники и телекоммуникации разработано лишь для МП естественно стремление "подогнать" эти задачи под аппарат теории МП.

Широкое использование марковской модели в радиотехнике и в связи объясняется такими причинами:

▪ в ситуациях, которые часто встречаются при решении инженерных задач радиотехники и связи, рассматривают влияние широкополосных гауссовых шумов на инерционные (динамические) системы конечного порядка. Действие такого шума на систему во многом аналогично влиянию некоторого эквивалентного белого шума и в таких системах оказывается допустимым рассматривать процессы в системе как марковские;

▪ гауссовы случайные процессы со спектральной плотностью средней мощности в виде дробно-рациональной функции частоты всегда с заданной точностью можно аппроксимировать МП;

▪ с помощью МП можно описывать точно или приближенно поведение ряда реальных физических систем и устройств.

В общем случае все МП делятся на четыре группы: цепь Маркова, дискретный марковский процесс, марковская последовательность и непрерывный марковский процесс. Мы здесь рассмотрим только свойства цепей Маркова. Именно такой подход лучше других соответствует модели источников ошибок.

Поиск по сайту: