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.

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.

Примером дискретного канала без памяти может служить -ичный канал. Канал передачи полностью описывается если заданы алфавит источника , , вероятности появления символов алфавита , скорость передачи символов , алфавит получателя , , и значения переходных вероятностей появления символа при условии передачи символа .

Первые две характеристики определяются свойствами источника сообщений, скорость – полосой пропускания непрерывного канала, входящего в состав дискретного. Объем алфавита выходных символов зависит от алгоритма работы решающей схемы; переходные вероятности находятся на основе анализа характеристик непрерывного канала.

Стационарным называется дискретный канал, в котором переходные вероятности не зависят от времени.

Дискретный канал называется каналом без памяти, если переходные вероятности не зависят от того, какие символы передавались и принимались ранее.

В качестве примера рассмотрим двоичный канал (рис. 4.6). В этом случае , т.е. на входе канала алфавит источника и алфавит получателя состоит из двух символов «0» и «1».

Алфавит входных сигналов имеет два символа х 0 и х 1 . Выбранный случайным образом источником сообщений, один из этих символов подаётся на вход дискретного канала. На приёме регистрируется у 0 и y 1 . Выходной алфавит тоже имеет два символа. Символ у х 0 . Вероятность такого события – р (y 0 ½ x 0). Символ у 0 может быть зарегистрирован при передаче сигнала х 1 . Вероятность такого события – р (y 0 ½ x 1). Символ y 1 может быть зарегистрирован при передачи сигналов х 0 и х 1 с вероятностями р (y 1 ½ x 0) и р (y 1 ½ x 1) соответственно. Правильному приёму соответствуют события с вероятностями появления р (y 1 ½ x 1) и р (y 0 ½ x 0). Ошибочный прием символа происходит при появлении событий с вероятностями р (y 1 ½ x 0) и р (y 0 ½ x 1). Стрелки на рис. 4.6 показано, что возможные события заключаются в переходе символа х 1 в y 1 и х 0 в y 0 (это соответствует безошибочному приему), а также в переходе х 1 в y 0 и х 0 в y 1 (это соответствует ошибочному приему). Такие переходы характеризуются соответствующими вероятностями р (y 1 ½ x 1), р (y 0 ½ x 0), р (y 1 ½ x 0), р (y 0 ½ x 1), а сами вероятности называют переходными. Переходные вероятности характеризуют вероятности воспроизведения на выходе канала переданных символов.

Канал без памяти называют симметричным, если соответствующие переходные вероятности одинаковы, а именно одинаковы вероятности правильного приёма, а также одинаковы вероятности любых ошибок. То есть:

Правильный прием,

Ошибочный прием.

Для общего случая

(4.9)

Необходимо отметить, что в общем случае в дискретном канале объемы алфавитов входных и выходных символов могут не совпадать. Примером может быть канал со стиранием (рис. 4.7). На рис. 4.7 введены обозначения: - вероятность ошибочного приема, - вероятность стирания, - вероятность правильного приема. Алфавит на его выходе содержит один добавочный символ по сравнению с алфавитом на входе. Этот добавочный символ (символ стирания «?») появляется на выходе канала тогда, когда анализируемый сигнал не удается отождествить ни с одним из передаваемых символов. Стирание символов при применении соответствующего помехоустойчивого кода позволяет повысить помехоустойчивость.

Большинство реальных каналов имеют «память», которая проявляется в том, что вероятность ошибки в очередном символе зависит от того, какие символы передавались до него и как они были приняты. Первый факт обусловлен межсимвольными искажениями, являющимися результатом рассеяния сигнала в канале, а второй – изменением отношения сигнал-шум в канале или характера помех.

В постоянном симметричном канале без памяти условная вероятность ошибочного приема ()-го, символа если -й символ принят ошибочно, равна безусловной вероятности ошибки. В канале с памятью она может быть больше или меньше этой величины.

Наиболее простой моделью двоичного канала с памятью является марковская модель, которая задается матрицей переходных вероятностей:

,

где – условная вероятность того, что принят ()-й символ ошибочно, если -й принят правильно; 1- – условная вероятность того, что принят ()-й символ правильно, если -й принят правильно; – условная вероятность того, что принят ()-й символ ошибочно, если -й принят ошибочно; 1- – условная вероятность того, что принят ()-й символ правильно, если -й принят ошибочно.

Безусловная (средняя) вероятность ошибки в рассматриваемом канале должна удовлетворять уравнению:

,

.

Данная модель имеет достоинство – простоту использования, не всегда адекватно воспроизводит свойства реальных каналов. Большую точность позволяет получить модель Гильберта для дискретного канала с памятью. В такой модели канал может находиться в двух состояниях и . В состоянии ошибок не происходит; в состоянии ошибки возникают независимо с вероятностью . Также считаются известными вероятности перехода из состояния в и вероятности перехода из состояния в состояние . В этом случае простую марковскую цепь образует не последовательность ошибок, а последовательность переходов:

.

Расширенный дискретный канал

Расширенный дискретный канал включает ДК+ Кодер + Декодер канала.

Алфавит канала состоит из 2n сообщений, где n - число элементов в кодовой комбинаций.

РДК характеризуется: коэффициентом ошибок по кодовым комбинациям, эффективной скоростью передачи информации

Основная задача РДК - повышение верности передачи.

Методы повышения верности:

Меры эксплуатационного и профилактического характера

• - повышения стабильности работы генераторного оборудования
• - резервирование электропитания
• - выявление и замена отказавшего оборудования
• - повышение квалификации обслуживающего персонала

Мероприятия по увеличению помехоустойчивости передачи единичных элементов

• - увеличение отношения сигнал - помеха (увеличение амплитуды, длительности)
• - применение более помехоустойчивых методов модуляции
• - совершенствование методов обработки
• - выбор оптимальных сигналов
• - введение избыточности в передаваемую последовательность т.е. помехоустойчивое кодирование

Модели дискретных каналов связи

Дискретный канал всегда содержит внутри непрерывный канал. Преобразование непрерывного канала в дискретный производит модем. Поэтому в принципе можно получить математическую модель дискретного канала из модели непрерывного канала при заданном модеме. Образно говоря, модем, осуществляющий переход от непрерывного канала в поток ошибок. Наиболее важные и достаточно простые модели дискретных каналов следующие. импульсный помеха генераторный связь

Постоянный симметричный канал без памяти определяется как дискретный канал, в котором каждый переданный кодовый символ может быть принят ошибочно с фиксированной вероятностью р и правильно с вероятностью 1-р, причём в случае ошибки вместо переданного символа может быть с равной вероятностью принят любой другой символ. Термин “без памяти” означает, что вероятность ошибочного приёма символа не зависит от предистории, т.е. от того, какие символы передавались до него и как они были приняты. Вероятности переходов в двоичном симметричном канале схематически можно представить в виде графа (рис.3.1).

Рисунок 3.1. Переходные вероятности в двоичном симметричном канале

Постоянный симметричный канал без памяти со стиранием отличается от предыдущего канала тем, что алфавит на выходе канала содержит дополнительный (m+1)-й символ, который часто обозначают знаком “?”. Этот символ появляется тогда, когда демодулятор не может надёжно опознать переданный символ. Вероятность такого отказа от решения или стирания символа pc в данной модели постоянна и не зависит от передаваемого символа. За счёт введения стирания удаётся значительно снизить вероятность ошибки, иногда её даже считают равной нулю. На рис.3.2 показаны вероятности переходов в такой модели.

Рисунок 3.2. Переходные вероятности в двоичном симметричном канале со стиранием

Несимметричный канал без памяти характеризуется тем, что ошибки в нём возникают независимо друг от друга, однако вероятности ошибок зависят от того, какой символ передаётся. Так, в двоичном несимметричном канале вероятность приёма символа 1 при передаче символа 0 не равна вероятности приёма 0 при передаче 1.

Простейшей моделью двоичного канала с памятью является марковская модель , определяемая матрицей переходных вероятностей:

где р1--условная вероятность принять (i+1)-й символ ошибочно, если предыдущий принят правильно; (1-р1)-условная вероятность принять (i+1)-й символ правильно, если предыдущий символ принят правильно; р2- условная вероятность принять (i+1)-й символ ошибочно, если предыдущий принят ошибочно; (1-р2)-условная вероятность принять (i+1)-й символ правильно, если предыдущий символ принят ошибочно.

Безусловная (средняя) вероятность ошибки p в таком канале должна удовлетворять уравнению:

р=Р2р+З1(1-р)

Другой подход к построению математических моделей каналов связан с методом переменных состояния. Важной особенностью этого метода является возможность непосредственного моделирования систем, описываемых уравнениями состояния с помощью аналогового или цифрового вычислительного устройства. Уравнения состояния обычно составляют в виде системы дифференциальных уравнений первого порядка, которую приводят к форме векторного (матричного) дифференциального уравнения первого порядка. Этот метод даёт универсальный подход для моделирования каналов передачи информации систем связи для самых различных сообщений, способов кодирования и модуляции, линий связи с детерминированными и случайными параметрами и аддитивными шумами.