Лекции по "Сети связи"

Если по каналу связи сигналы могут передаваться только в одном направлении, то канал называется симплексным. Если же сигналы могут одновременно передаваться в обоих направлениях, то канал называется дуплексным. Дуплексные системы связи по сути дела имеют два канала (прямой и обратный), в общем случае не идентичных. В некоторых случаях в таких системах передача сообщений осуществляется лишь в одном направлении, а обратный канал используется для контроля и защиты от ошибок при передаче сообщений в прямом направлении. Такие системы называются системами с обратной связью. Обратная связь позволяет значительно повысить надежность работы и используется в системах связи и автоматического управления. В последних сигнал обратного канала воздействует на некоторое устройство для подстройки его параметров.

Задачей любой системы передачи информации является доставка сообщения от источника (абонента) потребителю (другому абоненту)., находящихся при этом в разных местах. Отличие принимаемого сообщения от переданного определяется степенью искажения соответствующего сигнала вследствие воздействия на него помех.

 

4 Помехи и искажения в каналах связи

В процессе прохождения по реальным каналам связи сигналы подвергаются искажениям, поэтому получаемые сообщения воспроизводятся с некоторыми ошибками. Эти ошибки обусловлены характеристиками тракта передачи, а также помехами, воздействующими на сигнал. Изменение характеристик тракта, как правило, имеет регулярных характер, и поэтому их можно в большинстве случаев устранить посредством соответствующей коррекции. Помехи же, воздействующие на сигнал, имеют случайный характер, т.е. они заранее неизвестны и поэтому их влияние нельзя полностью устранить.

Помехой принято называть любой случайное воздействие на сигнал, которое снижает достоверность воспроизведения передаваемых сообщений.

Существующие помехи весьма разнообразны по своей природе и физическому воздействию. В радиоканалах различают:

- атмосферные помехи, обусловленные  грозовыми электрическими процессами;

- индустриальные помехи, возникающие из-за резких изменений  тока в цепях электроустройств;

- помехи от посторонних  радиостанций, возникающие вследствие  плохой фильтрации гармоник сигнала, недостаточной стабильности частот, нарушения регламента рабочих частот, нелинейности каналов, что приводит к образованию новых колебаний;

- космические помехи, обусловленные  электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах и других внеземных объектах.

В каналах проводной связи основными видами помех являются импульсные шумы и прерывания связи. Импульсные шумы возникают при автоматической коммутации и вследствие перекрестных наводок. Прерыванием связи называет явление, при котором сигнал либо резко затухает, либо совсем пропадает.

Все указанные помехи относятся к внешним помехам, однако имеются и внутренние помехи, возникающие в аппаратуре. Внутренние помехи обусловлены, главным образом, наличием тепловых шумов – хаотического движения носителей заряда (электронов) в проводниках. Эти помехи принципиально неустранимы.

В общем случае влияние помех на полезный сигнал можно представить в виде оператора:

.                                         (1.2)

В зависимости от характера взаимодействия с сигналом помехи подразделяются на аддитивные и мультипликативные.

Аддитивной называется помеха, которая при образовании выходного сигнала представляется в виде слагаемого:

.                                         (1.3)

Мультипликативной называется помеха, которая при образовании выходного сигнала представляется в виде множителя входного сигнала:

,                                         (1.4)

где - некоторый случайный процесс.

Примером мультипликативной помехи являются замирания, заключающиеся в случайном изменении уровня и соответственно мощности сигнала из-за непостоянства условий распространения радиоволн. В проводных каналах мультипликативной помехой может быть прерывание связи, при котором сигнал в линии резко затухает. К аддитивным помехам можно отнести все рассмотренные виды внешних и внутренних помех. Среди аддитивных помех различного происхождения выделяют:

- сосредоточенные по  спектру (узкополосные) помехи,

- сосредоточенные во  времени (импульсные) помехи;

- флуктуационную помехи, не ограниченные во времени  и спектру.

Флуктуационная помеха (флуктуационный шум) представляет собой случайный процесс с нормальным распределением (гауссовский процесс). Такая помеха наиболее изучена и представляет наибольший интерес как в теоретическом, так и в практическом отношении, поскольку данный вид помех практически имеет место во всех реальных каналах.

В реальных каналах имеются и аддитивные, и мультипликативные помехи, поэтому:

.                                         (1.5)

Схема действия помех в линиях связи показана на рисунке 1.3.

Необходимо отметить, что между сигналом и помехой отсутствует принципиальное различие. Более того, они существуют как единое целое, хотя и противоположны по своему действию. Например, излучение передатчика радиостанции, являясь полезным для приемника того абонента, которому оно предназначено, одновременно может служить помехой для приемников тех абонентов, которым оно не предназначено.

5 Основные характеристики систем передачи информации

В предыдущем вопросе лекции было отмечено, что вследствие воздействия на сигнал помех наблюдается искажение соответствующего сигнала и, как следствие, принимаемый сигнал будет отличаться от переданного. В связи с этим для оценки качества передачи и приема информации введено понятие помехоустойчивости – способности системы передачи информации противостоять вредному воздействию помех. При расчете помехоустойчивости используется количественная оценка степени соответствия принятого сообщения переданному с помощью величины, называемой вероятностью, или достоверностью.

При передаче дискретных сообщений степень соответствия обычно определяется вероятностью ошибки . Нахождение расчетных соотношений для определения вероятности ошибки в теории электрической связи является иногда сложнейшей задачей. Данные соотношения являются функциональными зависимостями от отношения сигнал/помеха:

,                                         (1.6)

где - мощность сигнала;

      - мощность помехи.

При передаче непрерывных сообщений степень соответствия (достоверность) определяется значениям среднеквадратичного отклонения принятого сообщения от переданного:

,                                         (1.7)

где  - соответственно переданное и принятое сообщения.

Показатель достоверности – вероятности ошибки – определяет качество передачи информации. Однако для оценки качества применяется также и другой показатель – скорость передачи информации. Данный показатель базируется на характеристиках сигнала: длительности сигнала, ширине спектра, объеме сигнала.

Всякий сигнал, рассматриваемый как временной процесс, имеет начало и конец. В связи с этим длительность сигнала является естественным его параметром, определяющим интервал времени, в пределах которого сигнал существует. Длительность сигнала определяет необходимое время работы канала и просто связана с количеством сведений, передаваемых этим сигналом.

Второй характеристикой является ширина спектра сигнала , которая характеризует поведение сигнала на протяжении его длительности, скорость его изменения.

Спектр сигнала, в принципе, может быть ограниченным. Однако для любого сигнала можно указать диапазон частот, в пределах которого сосредоточена его основная энергия. Этим диапазоном и является ширина спектра сигнала. Сокращение спектра осуществляется исходя из допустимых искажений сигнала. Например, ширина спектра телефонного сигнала составляет

 Гц,

а ширина спектра телевизионного сигнала при стандарте 625 строк – 6 МГц.

При телеграфной связи ширина спектра сигнала, определяемая скоростью его передачи (телеграфирования), составляет (1,5..3,0)v, где v – скорость передачи, измеряемая в бодах и равная числу электрических посылок, передаваемых в 1 с. Обычно Бод, тогда Гц.

Часто вводят довольно общую и наглядную характеристику – объем сигнала:

.                                                              (1.8)

Объем сигнала дает общее представление о возможностях данного множества сигналов как переносчиков сообщений. Чем больше объем сигнала, тем больше информации можно вложить в этот объем, но тем труднее передать такой сигнал по каналу связи.

В качестве еще одной характеристики можно было бы ввести такую, которая определяла бы амплитуду сигнала на протяжении его существования, например, мощность. Однако мощность сигнала Рс сама по себе не определяет условия его передачи по реальным каналам связи с помехами. В связи с этим сигнал принято характеризовать отношением мощностей сигнала и помехи:

                                                        (1.9)

которое называют превышением сигнала над помехой или отношением сигнал/шум.

Часто используется также характеристика сигнала, называемая динамическим диапазоном, определяемым соотношениями

- для амплитуд  сигналов:

                                              (1.10а)

- для мощностей  сигналов:

                                              (1.10б)

которая определяет интервал изменения уровней сигнала (например, громкости при передаче телефонных сообщения) и предъявляет соответствующее требования к линейности тракта. В радиовещании динамический диапазон частот сокращают до 30..40 дБ (1000..10000 раз) во избежание перегрузок канала.

Требования к линейности тракта оцениваются с использованием понятия пикфактора:

                                                     (1.11)

представляющим собой отношение максимального значения сигнала к действующему. Чем больше пикфактор сигнала, тем хуже будут энергетические показатели радиотехнического устройства.

Для характеристики систем передачи информации скорость передачи информации может быть оценена не только в бодах. Для двоичного источника применяется единица

                                                     (1.12а)

где T – длительность посылки.

Если код не является двоичным, т.е. его основание , то

.                                            (1.12б)

Наконец, как и для сигнала, вводится понятие емкости канала связи :

.                                          (1.13)

При проектировании системы передачи информации должно выполняться условие

.

В простейших системах необходимо обеспечить выполнение условий:

, , .

При невыполнении этих условий в системе появляются искажения.