Помехи в каналах связи. Электронные средства сбора, обработки и отображения информации Помехи в каналах связи
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.
В соответствии с данным ранее определением дискретным каналом называется 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). Таким образом, 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 .
Таким образом, 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 определенным 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 полосе канала связи.
Кроме этого в канале имеются помехи. Помехой называется любое случайное воздействие на сигнал, которое 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 называется аддитивной. Аддитивные помехи по своей электрической и статистической структурам подразделяются на:
1) флуктуационные или распределенные по частоте и по времени,
2) гармонические или сосредоточенные по частоте,
3) импульсные или сосредоточенные по времени.
Флуктуационная помеха – это непрерывный во времени случайный процесс. Чаще всего его полагают стационарным и эргодическим с нормальным распределением 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 полосе канала связи.
Гармоническая помеха – это аддитивная помеха, спектр которой сосредоточен в сравнительно узкой полосе частот, сопоставимой или даже существенно более узкой, чем полоса частот сигнала. Эти помехи полагают равномерно распределенными в полосе частот, т.е. вероятность появления этой помехи в некоторой полосе частот пропорциональна ширине 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 распределенными 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 распределения 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 распределения с конкретными численными параметрами или средней длительностью перерывов t пер и их интенсивностью n пер .
Если оператор y может 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, т.е. z=ku+n .
На вход УПС прм, состоящего из линейного 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 счет воздействия помех выходные сигналы искажаются по форме, изменение которой численно выражается величиной краевых искажений d кр .
Для уменьшения вероятности ошибки за счет влияния краевых искажений или дроблений сигналы с выхода ДМ подвергаются стробированию или интегрированию, которое 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 .
Рассмотренные вопросы исследуются в лабораторной работе №3 «Характеристики дискретного канала» .
Контрольные вопросы к лекции 5
5-1. Какой канал называется дискретным?
5-2. Назовите основные характеристики, определяющие качество и эффективность передачи данных
5-3. Как определяется скорость передачи информации по каналу?
5-4. Как определяется скорость модуляции?
5-5. Как оценивается верность передачи информации по каналу?
5-6. Чем характеризуются сигналы, поступающие на вход дискретного канала?
5-7. Чем характеризуются сигналы, поступающие на вход непрерывного канала?
5-8. Назовите основные характеристики непрерывного канала?
5-9. Что называется относительным уровнем сигнала?
5-10. Что называется абсолютным уровнем сигнала?
5-11. Что называется измерительным уровнем сигнала?
5-12. Что называется остаточным затуханием канала?
5-13. Чему равно остаточное затухание канала, содержащего усилители?
5-15. К чему может привести превышение мощности сигнала на входе канала?
5-16. Что собой представляет АЧХ канала?
5-17. Что называется эффективно пропускаемой полосой частот канала?
5-18. К чему приводит неравномерность АЧХ канала?
5-19. Что называется групповым временем прохождения?
5-20. Что собой представляет ФЧХ канала?
5-21. Как оцениваются нелинейные искажения, вносимые каналом?
5-22. Что называется уровнем перегрузки?
5-23. К чему приводит ограничение спектра сигнала при передаче по реальным каналам?
5-24. Как связаны предельная скорость передачи с шириной полосы канала при передаче модулированных сигналов с двумя боковыми?
5-25. Как характер АЧХ канала сказывается на ширине полосы пропускания канала?
5-26. Как характер ФЧХ канала сказывается на ширине полосы пропускания канала?
5-27. Как по АЧХ и ФЧХ канала находится оптимальная для него скорость передачи?
5-28. Что называется помехой?
5-29. Какие помехи называются аддитивными?
5-30. На какие типы подразделяются аддитивные помехи?
5-31. Что является математической моделью флуктуационной помехи?
5.32. Чем гармоническая помеха отличается от флуктуационной?
5.33. Какими параметрами характеризуется гармоническая помеха?
5.34. Чем импульсная помеха отличается от гармонической?
5.35. Какими параметрами характеризуется импульсная помеха?
5-36. Какие помехи называются мультипликативными?
5-37. К какому типу помех относится дрейф коэффициента усиления канального усилителя?
5-38. Чем характеризуются сигналы, поступающие с входа непрерывного канала?
5-39. Что служит численной оценкой искажений формы сигналов на выходе демодулятора?
5-40. Какими параметрами характеризуется устройство синхронизации?
Лекция 6. Среда распространения сигнала
МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ НА ФИЗИЧЕСКОМ УРОВНЕ
ГЛАВА 2
В соответствии с данным ранее определением 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 определенным 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 полосе 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 распределенные 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 всего его полагают стационарным и эргодическим с нормальным распределением 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 полосе канала связи.
Гармоническая помеха - ϶ᴛᴏ аддитивная помеха, спектр которой сосредоточен в сравнительно узкой полосе частот, сопоставимой или даже существенно более узкой, чем полоса частот сигнала. Эти помехи полагают равномерно распределенными в полосе частот, ᴛ.ᴇ. вероятность появления этой помехи в некоторой полосе частот пропорциональна ширине 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 распределенными 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 распределения 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 распределения 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 линейного 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.
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.
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
Дискретный канал
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 (2) .
Помехи в каналах связи
В реальном канале сигнал при передаче искажается, и сообщение воспроизводится с некоторой ошибкой. Причиной таких ошибок являются искажения, вносимые самим каналом, и помехи, воздействующие на сигнал. Следует четко отделить искажения от помех, имеющих случайный характер. Помехи заранее не известны и поэтому не могут быть полностью устранены.
Под помехой понимается любое воздействие, накладывающееся на полезный сигнал и затрудняющий его прием. Помехи разнообразны по своему происхождению: грозы, помехи электротранспорта, электрических моторов, систем зажигания двигателей и т.д.
Практически в любом диапазоне частот имеют место внутренние шумы аппаратуры, обусловленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, так называемый тепловой шум.
Классификация помех. Гармонические помехи - представляют собой узкополосный модулированный сигнал. Причинами возникновения таких помех являются снижение переходного затухания между цепями кабеля, влияние радиостанций. Импульсные помехи - это помехи, сосредоточенные по времени. Они представляют собой случайную последовательность импульсов, имеющих случайные интервалы времени, причем, вызванные ими переходные процессы не перекрываются по времени.
