СетиЭВМ - лучше конспекта

Основное преимущество цифровых каналов над каналами двух других типов заключается в их принципиально лучшей помехоустойчивости, так как действие помех в пределах шага квантования цифровых каналов не приводит к ошибке. Переход к цифровой обработке информации позволяет расширить функциональные возможности, связанные с хранением, передачей информации. Представленная выше модель канала передачи информации соответствует способу передачи информации, называемому кодово-импульсной модуляцией (КИМ).

Кодово-импульсная модуляция – это способ передачи непрерывных (аналоговых) сигналов по комбинированному каналу. При этом источник информации представляет собой объект, информационный признак которого описывается непрерывной функцией времени s(t). Квантование по уровню осуществляется по следующему алгоритму.

1. Определяется максимально возможное значение smax функции s(t).

2.

	Вычисляется число градаций сигнала N по следующей формуле:	, где – шаг
	квантования.
3.	Выбирается система отсчёта, в которой будет осуществляться представление отсчётов
	сигнала (как правило, выбирают двоичную систему отсчёта).
4.	Вычисляется число разрядов m, с помощью которых можно представить каждый отсчёт
	сигнала в b–ичной системе исчисления, по следующей формуле:	, где

операция ][ означает большую целую часть выражения, заключённого между знаками этой операции.

В результате операции квантования по уровню получим последовательность, отражающую номер текущего отсчёта.

Период отсчётов по времени определяется на основании следующей теоремы.

Теорема Котельникова. Если сигнал s(t) имеет ограниченный спектр с максимальной частотой Fm, то он может быть представлен в виде бесконечной последовательности отсчётов, проводимых с

периодом .

Ниже приведён график зависимости вещественной составляющей спектральной плотности ReS(jщ) сигнала s(t) от частоты щ этого сигнала.

Рисунок 3 – График зависимости

Квантование сигнала s(t) по времени и по уровню изображено ниже на рисунке.

Рисунок 4 – Квантование сигнала s(t) по времени и по уровню

В результате выполнения квантования непрерывного (аналогового) сигнала по времени и по уровню получается цифровой сигнал.

Кодирование - это процесс придания цифровому сигналу физической природы. Выделяют следующие три вида кодирования.

Таблица 3 – Виды кодирования

	№	Вид	Описание
	п/п	кодирования
			Этот вид кодирования является способом представления двоичного числа в
	1	Физическое	виде электрического, акустического, оптического сигнала или сигнала какой-
			либо другой физической природы
			Этот вид кодирования является способом сжатия информации. Эффективное
	2	Эффективное	кодирование применяется в том случае, когда нужно уменьшить объём памяти
			запоминающего устройства, время передачи сигнала
	3	Логическое	Этот вид кодирования является способом кодообразования, позволяющим
			повысить помехоустойчивость

При передаче данных необходимо предусмотреть средство борьбы с помехами. Наиболее действенное влияние на помехи оказывает выбор способа передачи данных по конкретному каналу. Такой выбор способа передачи данных называется помехоустойчивостью в широком смысле. Помехоустойчивость в узком смысле – это выбор однозначного соответствия между множеством состояний источника информации и множеством кодовых слов, получаемых на выходе кодирующего устройства. Каждому состоянию источника должно соответствовать одно кодовое слово.

На выходе аналогово-цифрового преобразователя имеется m-разрядное кодовое слово. На выходе кодирующего устройства имеется слово большей длины n: n>m. Такое кодирование называется помехоустойчивым. При этом вводится избыточность информации.

Код – множество кодовых слов, однозначно отображающих состояния источника информации. Модуляция – процесс изменения одного или нескольких параметров носителя сигнала в соответствии с передаваемым сообщением.

В радиотехнике также применяется следующее определение модуляции.

Модуляция – процесс переноса спектра сообщения из низкочастотной области в высокочастотную. Модуляция применяется в тех случаях, когда свойства цифрового сигнала на выходе кодирующего устройства не соответствуют частотным свойствам линии связи.

Линия связи – это физическая среда распространения сигнала. В качестве примеров линий связи можно привести следующие: телефонная пара, коаксиальный кабель, линия электропередач. Следует отметить, что помеха чаще всего действует на линию связи, поэтому на приёмной стороне необходимо подключать оптимальный приёмник. Это устройство должно выполнять такое преобразование входного сигнала, чтобы существенно уменьшалось действие помехи, а в идеальном случае оптимальный приёмник должен полностью устранять помеху.

Устройство исправления ошибок реализует алгоритм обнаружения и устранения ошибок используемой процедуры кодирования. При этом также осуществляется устранение информационной избыточности. Следует отметить, что некоторые функции канала связи могут распределяться по отдельным узлам системы передачи информации.

Информационная модель источника информации

Top Previous Next

Пусть имеется дискретный источник информации. Предположим, он в каждый момент времени может находится в одном из m возможных состояний. Такое предположение является достаточно общим, так как если источник информации не является дискретным, то его всегда можно дискретизировать, выполнив последовательное квантование по времени и по уровню выходного сигнала этого источника.

Каждое состояние источника можно связать с некоторым числом или символом xi, . В качестве модели источника информации удобно использовать вероятностную модель. Эта модель

предполагает, что появление на выходе источника информации символа xi, является

случайным событием для приёмника. Вероятности появления символов P(xi), на выходе источника информации считаются заданными. Таким образом, состояние источника информации в

вероятностной модели описывается случайной величиной X, имеющей реализации xi, . Ниже на рисунке изображена вероятностная модель источника информации.

Рисунок 1 – Вероятностная модель источника информации Ниже на рисунке изображена проблема определения состояния источника информации.

Рисунок 2 – Проблема определения состояния источника информации Среднюю неопределённость появления символа на выходе источника информации описывает

энтропия H(X) случайной величины X, значение которой вычисляется по следующей формуле:

. Величина энтропии характеризует неопределённость приёмника, связанную с получением одного символа до приёма. После того, как сигнал принят, приёмник получает следующее количество информации в расчёте на один принятый символ: I = Hап – Hапр, где Hап = H(X) – априорная неопределённость, Hапр – апостериорная неопределённость.

Априорная неопределённость – неопределённость приёмника, связанная с состоянием источника информации, до момента приёма сигнала.

Апостериорная неопределённость – остаточная неопределённость приёмника, связанная с состоянием источника информации, после приёма сигнала.

Информационные модели кодирования

Top Previous Next

Приёмнику информации точно неизвестно, в каком из m состояний находится источник. Таким образом, для приёмника возникает проблема определения состояния источника информации. Эта ситуация изображена ниже на рисунке.

Рисунок 1 – Проблема определения состояния источника информации Целью передачи данных по каналу является устранение с помощью полученных данных

неопределённости приёмника о состоянии источника. Данные представляют собой сведения, неизвестные приёмнику. Описание моделей кодирования базируется на статистических (вероятностных) методах. В теории связи такой подход разрабатывается статистической теорией связи.

До приёма сигнала неопределённость приёмника определяется неопределённостью источника информации. После приёма сигнала возможны следующие два случая:

1. Возмущений, помех нет, следовательно, Hапр = 0, а значит I = H(X).

2. Помехи есть, следовательно, Hапр 0.

В первом случае, когда в канале передачи информации помехи отсутствуют, применяются методы эффективного кодирования. Во втором случае, когда канал передачи информации с помехами, нужно использовать методы помехоустойчивого кодирования.

Формы физических сигналов, применяемые для	Top Previous
передачи цифровых сигналов	Next

Комбинацию кода можно представить в виде сигнала-носителя информации. Основные требования к выбору физического сигнала:

1. Спектр физического сигнала минимальный;

2. Сигнал должен обладать свойством самосинхронизации;

3. Отсутствие постоянной составляющей;

4. Мощность сигнала должна быть минимальной (это свойство выполняется, если постоянная составляющая отсутствует).

Существуют потенциальные формы представления разряда (0 или 1 отражается напряжением определенного потенциала) и импульсные (информация содержится в перепаде уровней).

1.Без возвращения к нулю.

2.Биполярный способ.

3. Манчестерское кодирование – импульсное.

Кодируется 2 разряда: 00 -2.5 В 01 -0.83 В

10+0.83 В

11+2.5 В

Длительная последовательность нулей или единиц нарушает самосинхронизацию сигнала. 5.4 В | 5 В

6.6 В | 8 В

Из 31 комбинации выбирают 15 тех, которые удовлетворяют требованиям. Дополнительные разряды используются для передачи служебной информации.

Модуляция

Top Previous Next

Модуляция – изменение одного или нескольких параметров носителя в соответствии с представлением сообщения.

Модуляция – это процесс переноса спектра сигнала из низкочастотной области в высокочастотную область.

Необходимость модуляции возникает, если сигнал, формируемый на выходе кодирующего устройства, не соответствует возможностям физической среды распространения, которую называют линией связи.

Смодуляцией связаны понятия:

1.Сигнал – носитель информации;

2.Зависимость информационных свойств канала передачи от видов модуляции.

Краткие характеристики сигнала

Различают по форме представления непрерывные и дискретные сигналы. Непрерывные сигналы s(t); дискретные сигналы s(ti).

Рисунок 1 – Непрерывные сигналы

Рисунок 2 – Дискретные сигналы Цифровой канал – последовательность в-ичных символов.

Линия связи

Top Previous Next

Линия связи – это физическая среда распространения сигнала от передающей к приемной стороне. Линии связи делятся на следующие группы:

1) Проводные, в которых создается направляющая среда распространения сигнала (пара проводов, волноводы);

2) Беспроводные, в которых не создается направляющая среда распространения сигнала (радио, радиорелейные, тропосферные, спутниковые).

По полосе пропускания выделяют следующие классы линий связи: 1) Класс А (до 100 кГц, 100 Кбит/с);

2) Класс В (до 1 МГц), 1 Мбит/с);

3) Класс С (до 10 МГц, 10 Мбит/с);

4) Класс D (до 100 МГц, 100 Мбит/с).

Погонная индуктивность – индуктивность линии длиной 100 м (для ЛЭП -1 км), .

Погонная емкость – емкость линии длиной 100 м (фиксированной длины),

Удельная проводимость – утечка между одним проводом и другим, .

Затухание линии зависит от ,.

При дуплексной связи две линии. Вводится взаимное затухание. Возможно отражение электромагнитной волны от границы. В режима « бегущей волны» отражения нет.

Приёмник

Top Previous Next

Предназначен для того, чтобы из входного сигнала выделить информационный сигнал наилучшим образом для повышения помехоустойчивости.

Рассмотрим 4 вида алгоритмов обработки входной смеси:

1. Обнаружение: разработать алгоритм обработки входного сигнала, чтобы ответить на вопрос, присутствует ли во входной смеси информационный сигнал или нет.

средняя мощность сигнала на выходе приемника, а - средняя мощность помехи.

Нужно добиться максимума . Этот алгоритм реализуется сопряженным фильтром. Сопряженным фильтр в идеале описывается четырехполюсником:

Рисунок 1 – Представление сопряженного фильтра в виде четырёх полюсника

- спектральная плотность на входе;

- спектральная плотность на выходе;

- частотная характеристика четырехполюсника.

Чтобы добиться максимума , необходимо, чтобы выполнялось следующее условие:

; 2. Различие сигнала выполняется устройством, которое реализует алгоритм обработки входной смеси,

чтобы выделить, какой именно сигнал из множества входных сигналов присутствует в данный момент времени на входе приемника.

Это устройство называется посимвольным приемником.

Рисунок 2 – Посимвольный приемник К сопряженных фильтров, настроенных на свой собственный сигнал. Решающая схема (РС)

опрашивает выходы всех сопряженных фильтров и ищет тот фильтр, выходное напряжение которого максимально. Если несколько фильтров имеют приблизительно одинаковые выходные напряжения, то приемник генерирует сигнал стирания.

Также приемник выполняет апостариорную обработку.

3. Обнаружение сигнала с определением одного или нескольких параметров. Приемник должен выделить сигнал и измерить его параметры (амплитуду, фазу). Такие приемники реализуют интегральные методы приема. Выходной сигнал:

- специальная весовая функция;

– время обработки сигнала.

Уточняем вид интегрального приема выбором . Если , то имеем когерентный приемник.

Рисунок 3 – Когерентный приемник П-перемножитель.

ГОС – генератор опорного сигнала.

Фильтрация помех наиболее эффективна в когерентном приемнике, если разность фаз между

сигналом и помехой близка к . Если между опорным сигналом и переданным сигналом допускается задержка, то получаем корреляционный приемник:

,

Автокорреляционный приемник: СЗ – схема задержки.

Рисунок 4 – Автокорреляционный приемник

Приемник простой интегральный: . Такой приемник будет обладать высокой помехоустойчивостью в том случае, если частота помехи за время приема много больше частоты информационного сигнала.

4. Приемник с восстановлением сигналов (оптимальная фильтрация). На интервале времени Т нужно так обработать входную смесь, чтобы восстановить на выходе приемника информационный сигнал с минимальной среднеквадратической погрешностью по отношению к переданному сигналу. Эта задача решается с помощью оптимального фильтра.

Если эта задача решается в частотной области, то задается интегральная плотность сигнала ,

спектральная плотность помехи . Частотная характеристика оптимального фильтра в идеале:

Такое устройство физически нереализуемо.