Дискретный канал. Электронные средства сбора, обработки и отображения информации

МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ НА ФИЗИЧЕСКОМ УРОВНЕ

ГЛАВА 2

В соответствии с данным ранее определœением дискретным каналом принято называть совокупность (рис. 2.1) непрерывного канала (НК) с включенными на его входе и выходе устройствами преобразования сигнала (УПС).

Основными характеристиками, определяющими качество и эффективность передачи данных, являются скорость и верность передачи.

Скорость передачи V информации равна количеству информации, передаваемому по каналу в единицу времени , где m c -число позиций сигнала, t 0 -длительность единичного элемента сигнала. Для двухпозиционных сигналов .

Величина определяет количество элементов, передаваемых по каналу в секунду, и носит название скорости модуляции (Бод). Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, для двоичных систем скорость передачи и скорость модуляции численно совпадают.

Верность передачи данных оценивается вероятностями ошибочного приема единичных элементов p 0 и кодовых комбинаций p кк .

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, основной задачей дискретного канала является передача цифровых сигналов данных по каналу связи с требуемой скоростью V и вероятностью ошибки p 0 .

Для уяснения процесса реализации этой задачи представим структуру дискретного канала (рис. 2.2), указав на ней лишь те блоки УПС, которые определяют системные характеристики дискретного канала.

На вход канала поступают цифровые сигналы данных длительностью t 0 со скоростью B бит/с. В УПС прд эти сигналы преобразуются по частоте (модулируются М и Г) и проходят через полосовой фильтр ПФ прд и усилитель УC вых, с выхода которого передаются в канал связи с определœенным уровнем P с вх и шириной спектра DF c .

Канал связи (включая соединительные линии) характеризуется шириной полосы пропускания DF к , остаточным затуханием а ост , неравномерностями остаточного затухания Dа ост и группового времени прохождения (ГВП) Dt гвп в полосœе канала связи.

Кроме этого в канале имеются помехи. Помехой принято называть любое случайное воздействие на сигнал, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ ухудшает верность воспроизведения переданного сообщения. Помехи весьма разнообразны по своему происхождению и физическим свойствам.

В общем случае влияние помехи n(t) на сигнал u(t) можно выразить оператором z=y(u,n) .

В частном случае, когда оператор y вырождается в сумму z=u+n, помеха принято называть аддитивной. Аддитивные помехи по своей электрической и статистической структурам подразделяются на:

1) флуктуационные или распределœенные по частоте и по времени,

2) гармонические или сосредоточенные по частоте,

3) импульсные или сосредоточенные по времени.

Флуктуационная помеха - ϶ᴛᴏ непрерывный во времени случайный процесс. Чаще всœего его полагают стационарным и эргодическим с нормальным распределœением мгновенных значений и нулевым средним. Энергетический спектр такой помехи в пределах анализируемой полосы частот полагают равномерным. Флуктуационные помехи обычно задаются спектральной плотностью или среднеквадратическим значением напряжения U п эфф в полосœе канала связи.

Гармоническая помеха - ϶ᴛᴏ аддитивная помеха, спектр которой сосредоточен в сравнительно узкой полосœе частот, сопоставимой или даже существенно более узкой, чем полоса частот сигнала. Эти помехи полагают равномерно распределœенными в полосœе частот, ᴛ.ᴇ. вероятность появления этой помехи в некоторой полосœе частот пропорциональна ширинœе этой полосы и зависит от среднего числа n гп помех, превышающих пороговый уровень средней мощности сигнала в единице полосы частот.

Импульсная помеха – аддитивная помеха, представляющая собой последовательность импульсов, возбуждаемых кратковременными ЭДС апериодического или колебательного характера. Моменты появления импульсной помехи полагают равномерно распределœенными во времени. Это означает, что вероятность появления импульсной помехи в течение интервала времени Т пропорциональна длительности этого интервала и среднему числу n ип помех в единицу времени, зависящему от допустимого уровня помех. Импульсные помехи задаются обычно законами распределœения с их численными параметрами, либо максимальной величиной произведения А 0 длительности импульсной помехи на ее амплитуду. К ним можно отнести и кратковременные перерывы (дробления), задаваемые законами распределœения с конкретными численными параметрами или средней длительностью перерывов t пер и их интенсивностью n пер .

В случае если оператор y должна быть выражен в виде произведения z=ku , где k(t) - случайный процесс, то помеху называют мультипликативной.

В реальных каналах обычно имеют место как аддитивные, так и мультипликативные помехи, ᴛ.ᴇ. z=ku+n .

На вход УПС прм, состоящего из линœейного усилителя УС вх, полосового фильтра ПФ прм, демодулятора ДМ, устройств регистрации УР и синхронизации УС со скоростью В поступает смесь сигнала с помехой, характеризуемая отношением сигнал/помеха q вх . После прохождения приемного фильтра ПФ прм отношение сигнал/помеха несколько улучшается.

В ДМ, за счёт воздействия помех выходные сигналы искажаются по форме, изменение которой численно выражается величиной краевых искажений d кр .

Для уменьшения вероятности ошибки за счёт влияния краевых искажений или дроблений сигналы с выхода ДМ подвергаются стробированию или интегрированию, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ осуществляется в УР под действием синхроимпульсов, формируемых в устройстве синхронизации УС. УР характеризуется исправляющей способностью m эф , а УС – погрешностью синхронизации e с , временем синхронизации t синхр и временем поддержания синхронизма t пс .

Дискретный канал - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Дискретный канал" 2017, 2018.

Непрерывный канал

Каналы, при поступлении на вход которых непрерывного сигнала на его выходе сигнал тоже будет непрерывным, называют непрерывными . Они всегда входят в состав дискретного канала. Непрерывными каналами являются, например, стандартные телефонные каналы связи (каналы тональной частоты - ТЧ) с полосой пропускания 0,3…3,4 кГц, стандартные широкополосные каналы с полосой пропускания 60…108 кГц, физические цепи и др. Модель канала может быть представлена в виде линейного четырехполюсника (рисунок 3.4)

Рисунок 3.4 - Модель линейного непрерывного канала

С целью согласования кодера и декодера канала с непрерывным каналом связи используются устройства преобразования сигналов (УПС), включаемые на передаче и приеме. В частном случае - это модулятор и демодулятор. Совместно с каналом связи УПС образуют дискретный канал (ДК) , т.е. канал, предназначенный для передачи только дискретных сигналов.

Дискретный канал характеризуется скоростью передачи информации, измеряемой в битах в секунду (бит/с). Другой характеристикой дискретного канала является скорость модуляции, измеряемая в бодах. Она определяется числом элементов, передаваемых в секунду.

Двоичный симметричный канал . Двоичный симметричный канал (binary symmetric channel - BSC) является частным случаем дискретного канала без памяти, входной и выходной алфавиты которого состоят из двоичных элементов (0 и I). Условные вероятности имеют симметричный вид.

Уравнение (3.6) выражает так называемые вероятности перехода .

Марковские модели ДК. Состояния каналов можно различать по вероятности ошибки в каждом из состояний. Изменения вероятности ошибки можно, в свою очередь, связать с физическими причинами – появлением перерывов, импульсных помех, замираний и т.д. Последовательность состояний является простой цепью Маркова. Простой цепью Маркова называется случайная последовательность состояний, когда вероятность того или иного состояния в i- тый момент времени полностью определяется состоянием c i -1 в (i- 1) -й момент. Эквивалентная схема такого канала представлена на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 - Эквивалентная схема дискретного симметричного канала при описании его моделью на основе цепей Маркова

Модель Гильберта. Простейшей моделью, основанной на применении математического аппарата марковских цепей, является модель источника ошибок, предложенная Гильбертом. Согласно этой модели, канал может находиться в двух состояниях- хорошем (состояние 1) и плохом (состояние 2). Первое состояние характеризуется отсутствием ошибок. Во втором состоянии ошибки появляются с вероятностью р ош.

Дискретный канал - канал связи, используемый для передачи дискретных сообщений.

Состав и параметры электрических цепей на входе и выходе ДК определены соответствующими стандартами. Характеристики могут быть экономичными, технологичными и техническими. Основными являются технические характеристики. Они могут быть внешними и внутренними.

Внешние - информационные, технико-экономические, технико-эксплуатационные.

На скорость передачи существует несколько определений.

Техническая скорость характеризует быстродействие аппаратуры входящих в состав передающей части.

где m i - основание кода в i-ом канале.

Информационная скорость передачи - связана с пропускной способностью канала. Она появляется с появлением и быстрым развитием новых технологий. Информационная скорость зависит от технической скорости, от статистических свойств источника, от типа КС, принимаемых сигналов и помех, действующих в канале. Предельным значением является пропускная способность КС:

где?F - полоса КС;

По скорости передачи дискретных каналов и соответствующих УПС принято подразделять на:

• - низкоскоростные (до 300 бит/сек);
• - среднескоростные (600 - 19600 бит/сек);
• - высокоскоростные (более 24000 бит/сек).

Эффективная скорость передачи - количество знаков в единицу времени, предоставленных получателю с учетом непроизводительных затрат времени (время фазирования СС, время отводимое на избыточные символы).

Относительная скорость передачи:

Достоверность передачи информации - используется в связи, что в каждом канале имеются посторонние излучатели, которые искажают сигнал и затрудняют процесс определения вида передаваемого единичного элемента. По способу преобразования сообщений в сигнал помехи бывают аддитивные и мультипликативные. По форме: гармонические, импульсные и флуктуационные.

Помехи приводят к ошибкам в приеме единичных элементов, они случайны. В этих условиях вероятность характеризуется безошибочностью передачи. Оценкой верности передачи может служить отношение числа ошибочных символов к общему

Часто вероятность передатчика оказывается меньше требуемой, следовательно, принимают меры по увеличению вероятности ошибок, устранение принимаемых ошибок, включение в канал некоторых дополнительных устройств, которые уменьшают свойства каналов, следовательно, уменьшают ошибки. Улучшение верности связано с дополнительными материальными затратами.

Надежность - дискретный канал, как и любая ДС не может работать безотказно.

Отказом называют событие, заканчивающееся в полной или частичной утробе системы работоспособности. Применительно к системе передачи данных отказ - событие, вызывающее задержку принимаемого сообщения на время t зад >t доп. При этом t доп в разных системах различна. Свойство системы связи, обеспечивающее нормальное выполнение всех заданных функций называются надежностью. Надежность характеризуется средним временем наработки на отказ T о, средним временем восстановления T в, и коэффициентом готовности:

Вероятность безотказной работы показывает, с какой вероятностью система может работать без единого отказа.

Информация – это совокупность сведений о каком-либо событии, явлении, предмете. Для того, чтобы информацию можно было хранить и передавать, ее представляют в виде сообщений.

Сообщение – это совокупность знаков (символов), содержащих ту или иную информацию. Для передачи сообщений системы связи могут использовать материальные носители (например, бумага, устройства хранения на магнитных дисках или лентах) или физические процессы (изменяющийся электрический ток, электромагнитные волны, луч света).

Физический процесс, отображающий передаваемое сообщение, называется сигналом . Сигнал всегда представляет собой функцию времени.

Если сигнал представляет собой функцию S(t) , принимающую для любого фиксированного значения t , только определенные, наперед заданные значения S k , такой сигнал и отображаемое им сообщение называются дискретными . Если сигнал принимает в некотором интервале времени любое значение, он называется непрерывным или аналоговым .

Множество возможных значений дискретного сообщения (или сигнала) ДС представляет собой алфавит сообщения. Алфавит сообщения обозначается заглавной буквой, например, А , а в фигурных скобках указываются все его возможные значения - символы .

ИДС –источник дискретных сообщений ПДС – получатель дискретных сообщений

СПДС – система передачи дискретных сообщений

Обозначим алфавит сообщения на передаче (алфавит входного сообщения, входной алфавит) – А, алфавит сообщения на приеме (алфавит выходного сообщения, выходной алфавит) – В.

В общем случае эти алфавиты могут иметь бесконечное множество значений. Но на практике они конечны и совпадают. Это значит, что при приеме символа b k считается, что передавался символ a k .

Различают два вида дискретных сигналов:

· Дискретные случайные процессы непрерывного времени (ДСНВ), в которых смена значений сигнала (символов) может происходить в любой момент времени на произвольном интервале.

· Дискретные случайные процессы дискретного времени (ДСДВ), в которых смена символов может происходить только в фиксированные моменты времени t 0 , t 1 , t 2 …t i …, где t i =t 0 +i* 0 . Величину   называют единичным интервалом .

Второй вид дискретных сигналов называют дискретными случайными последовательностями ДСП.

В случае непрерывного времени дискретный случайный процесс может иметь бесконечное множество реализаций на интервале времени  , а в случае сигнала в виде ДСП число возможных реализаций ограничивается множеством

Где k – индекс, обозначающий номер символа алфавита, i – индекс, обозначающий момент времени. При объеме алфавита равном K и длине последовательности n символов число возможных реализаций равно K n .

В общем случае, источник дискретных сообщений или сигналов (ИДС) – это любой объект, порождающий на своем выходе дискретный случайный процесс.

Дискретным каналом (ДК) – называют любой участок системы передачи, на входе и выходе которого имеют место взаимосвязанные дискретные случайные процессы.

Рассмотрим структурную схему преобразований в системе передачи дискретных сообщений.

Во многих задачах теории связи структура модулятора и демодулятора задана. В этих случаях каналом является та часть линии связи, которая на рис. 1.3 обведена пунктиром. На вход такого канала подаются дискретные кодовые символы , а с выхода снимаются символом , вообще говоря не совпадающие с (рис. 2.1).

Такой канал называют дискретным. При изучении передачи сообщений по дискретному каналу основной задачей является отыскание методов кодирования и декодирования, позволяющих в том или ином смысле наилучшим образом передать сообщения дискретного источника.

Заметим, что почти во всех реальных линиях связи дискретный канал содержит внутри себя непрерывный канал, на вход которого подаются сигналы , а с выхода снимаются искаженные помехами сигналы . Свойства этого непрерывного канала наряду с характеристиками модулятора и демодулятора однозначно определяют все параметры дискретного канала. Поэтому иногда дискретный канал называют дискретным отображением непрерывного канала. Однако при математическом исследовании дискретного канала обычно отвлекаются от непрерывного канала и действующих в нем помех и определяют дискретный канал, задавая алфавит кодовых символов поступающих на его вход, алфавит кодовых символов снимаемых с его выхода, количество кодовых символов, пропускаемых в единицу времени, и значения вероятностей переходов , т. е. вероятностей того, что на выходе появится символ ,если на вход подан символ . Эти вероятности, зависят от того, какие символы передавались и принимались ранее. Алфавиты кода на входе и выходе канала могут не совпадать; в частности, возможно, что . Величину иногда называют технической скоростью передачи.

Рис. 2.1. Система связи с дискретным каналом.

Если вероятности перехода для каждой пары остаются постоянными и не зависят от того, какие символы передавались и принимались ранее, то дискретный канал называется постоянным или однородным. Иногда применяют также другие названия: канал без памяти или канал с независимыми ошибками. Если же вероятности перехода зависят от времени или от имевших место ранее переходов, то канал называют неоднородным или каналом с памятью.

В канале с памятью вероятностные связи, по крайней мере в первом приближении, распространяются только на некоторый конечный отрезок. Это значит, что вероятности перехода зависят от того, какие переходы имели место при передаче предыдущих символов, и не зависят от более ранних переходов. Такой канал можно рассматривать, как имеющий ряд дискретных состояний , определяемых предыдущими переходами, причем . Для каждого состояния определены условные вероятности переходов . В то же время лишь последние переданных и принятых символов определяют состояние канала .

Средние безусловные вероятности переходов определяются путем усреднения условных вероятностей по всем состояниям канала:

(2.1)

где - вероятность состояния.

В реальных каналах при поэлементном приеме вероятности переходов не являются заданными, а определяются, с одной стороны, помехами и искажениями сигналов в канале, с другой стороны, скоростью подачи кодовых символов и первой решающей схемой. Выбирая на основании того или иного критерия оптимальную решающую схему, можно изменять в желательном направлении вероятности перехода. Таким образом, для того чтобы рассматривать канал как дискретный, нужно выбрать первую решающую схему и, учитывая действующие в канале помехи и искажения, вычислить вероятности переходов. Очевидно, что в тех случаях, когда параметры реального канала постоянны и действующие в канале помехи представляют стационарный случайный процесс, его дискретным отображением является постоянный канал. Если же эти условия не выполнены, то дискретным отображением, как правило, оказывается канал с памятью.

Если в канале алфавиты на входе и выходе одинаковы и для любой пары вероятности , то такой канал называется симметричным. Переменный канал будем также называть симметричным, если в каждом состоянии для любой пары выполняется условие

Очевидно, что из (2.2) следует также на выходе означает, что переданный символ искажен помехами и не может быть опознан. Таким образом, часть принятой кодовой последовательности оказывается стертой.

Как будет показано в дальнейшем, введение такого стирающего символа не нарушает возможности правильного декодирования принятой кодовой последовательности, а, наоборот, облегчает ее при рациональном выборе метода кодирования и решающих схем.

Рис. 2.2. Вероятности переходов в симметричном двоичном канале.

Рис. 2.3. Вероятности переходов в симметричном канале со стиранием.

Заметим, что алфавит кода на выходе определяется выбором первой решающей схемы и поэтому считается заданным лишь потому, что мы рассматриваем дискретное отображение канала. Выбор первой решающей схемы также в значительной степени определяет свойства симметрии канала. Вероятности переходов в симметричном стирающем канале показаны на рис. 2.3.