1.8. Согласование характеристик сигнала и канала

Из всего сказанного ранее можно сделать вывод о том, что сигнал, как и канал, могут быть охарактеризованы множеством параметров. Однако для решения практических задач на предварительном этапе анализа системы передачи существенными оказываются лишь небольшое их число.

Рассмотрим три основных параметра сигнала, которые являются наиболее существенными с точки зрения передачи его по каналу.

Первым из таких важных параметров является время передачи сигнала Т_с.

Второй существенной характеристикой является мощность сигнала Р_с, передаваемого по каналу с определенным уровнем помех Р_п в нем. Чем больше Р_с по сравнению с Р_п, тем меньше, в общем случае, вероятность ошибки. Таким образом, интерес представляет не абсолютные значения Р_с и Р_п, а их отношение, более того, удобнее пользоваться логарифмом этого отношения. В качестве единицы измерения чаще всего используют дБ, поскольку выбирают десятичный логарифм и, если это отношение мощностей, то с коэффициентом 10, а если напряжений или токов - то с коэффициентом 20. Этот параметр называется динамическим диапазоном сигнала .

Третьим важнейшим параметром является спектр сигнала, точнее - его ширина F_c.

Эти три параметра позволяют представить сигнал в трехмерном пространстве в виде параллелепипеда с объемом, равным их произведению. Данное произведение носит название объема сигнала .

Соответственно канал может быть охарактеризован временем использования канала Т_К, т.е. временем, в течение которого канал предоставлен для работы, полосой пропускания канала F_К и динамическим диапазоном D_К, равным разности максимально допустимого уровня сигнала в канале и уровня помех, взятой в логарифмическом масштабе .

Таким образом, канал также может быть охарактеризован объемом канала .

Для того, чтобы сигнал мог быть передан по каналу, необходимо выполнение условия . Это условие является необходимым, но недостаточным, поскольку требуется и выполнение условий .

Тем не менее, если условие выполняется, а некоторые из условий не выполняются, сигнал может быть определенным образом преобразован или трансформирован для того, чтобы его передача по каналу стала возможной.

Рассмотрим, каким явлениям соответствуют различные преобразования сигнала, выполняемые с целью согласования с каналом, т.е. с целью выполнения условий и . Это рассмотрение начнем с простейших преобразований, называемых преобразованиями переноса, выполняемых без деформации объема сигнала.

1. Перенос вдоль оси времени (рис. 1.30) означает задержку сигнала на время Т_0.

2. Перенос по оси частот (рис. 1.31) соответствует однополосной модуляции с несущей F₀. Ширина спектра сигнала F_C при этом остается неизменной.

3. Перенос вдоль оси динамического диапазона (рис. 1.32) означает усиление или ослабление сигнала и содержащейся в нем помехи, так что изменения динамического диапазона не происходит.

Рис. 1.30. Перенос по оси времени	Рис. 1.31. Перенос по оси частот	Рис. 1.32. Перенос по оси динамического диапазона

Рассмотрим далее преобразования деформации, которые отличаются от рассмотренных тем, что при сохранении общей величины объема сигнала V_C увеличивается (уменьшается) одна из координат за счет пропорционального уменьшения (увеличения) другой координаты.

Достаточно просто пояснить деформацию объема путем увеличения F_C и соответствующего уменьшения T_C или наоборот. Примером служит запись сообщения на магнитную ленту с повышенной скоростью v₁ и последующее воспроизведение с нормальной скоростью v₂ . В последнем случае время воспроизведения (передачи) возрастает в v₂/v₁ раз, но во столько же раз уменьшается полоса частот спектра сигнала. Такое преобразование позволяет согласовать сигнал с каналом, имеющим полосу пропускания F_K, меньшую, чем спектр сигнала F_C, записываемого на ленту. Наоборот, если полоса пропускания канала F_K не используется полностью, то можно сократить время передачи, записывая сигнал на ленту, движущуюся замедленно, а затем воспроизводя его с нормальной скоростью.

Несколько более сложным примером деформации служит применение ИКМ (рис. 1.29), при которой происходит деформация по осям D и F.

Одной из наиболее важных задач передачи информации является повышение помехоустойчивости. Оно всегда связано с введением определенной избыточности, т.е. с увеличением объема сигнала. Если объем канала допускает увеличение объема сигнала, могут быть приняты меры, повышающие надежность передачи. Перечислим некоторые из них:

1. Простейшей мерой является увеличение мощности сигнала. Это приводит к дополнительному превышению сигнала над помехой, увеличению динамического диапазона и соответствующему увеличению объема сигнала. Однако в стандартных каналах строго нормируется предельный верхний уровень сигнала на входе, так как превышение мощности сигнала может привести к перегрузке и выходу из строя каналообразующей аппаратуры и возникновению недопустимо больших перекрестных помех.

2. Применение помехоустойчивых видов модуляции. Большая помехоустойчивость некоторых видов модуляции достигается либо благодаря более широкому спектру модулированных сигналов (частотная, фазовая модуляция), либо благодаря увеличению времени передачи, например, при использовании для импульсно-кодовой модуляции достаточно широких импульсов, что сужает спектр, но увеличивает длительность передачи. В обоих случаях имеет место соответствующее увеличение объема сигнала.

3. Применение помехоустойчивых методов приема, к которым можно отнести использование различных методов фильтрации принимаемого сигнала. Эти методы фильтрации связаны с увеличением времени приема и, следовательно, требуют увеличения времени передачи, т.е. увеличения объема сигнала.

4. Применение каналов с обратной связью. Если имеется возможность установить дополнительный канал между передатчиком и приемником или такой канал уже существует, то его можно использовать как канал обратной связи. По каналу обратной связи может передаваться: а) весь объем принимаемой информации с целью контроля работы прямого канала, б) только информация о сомнительных сигналах. В последнем случае на приемной стороне устанавливается решающее устройство, делающее заключение о том, какой сигнал был передан. Если уверенность в принятом сигнале достаточно велика, обратный сигнал не посылается, если уверенность недостаточна, делается запрос на повторную передачу. Системы передачи первого типа называются системами с информационной обратной связью, а системы второго типа – системами с решающей или управляющей обратной связью или системами с переспросом. В обоих случаях повышение помехоустойчивости связано с увеличением оборудования (два канала вместо одного) и увеличением времени передачи, т.е. соответствующим увеличением объема сигнала.

5. Применение помехоустойчивого кодирования. Помехоустойчивое кодирование всегда связано с введением избыточных символов в код передаваемого сообщения. Эти символы позволяют на приемной стороне обнаружить и /или исправить ошибки. Введение дополнительных символов увеличивает либо время передачи, либо частоту, что приводит к расширению спектра сигнала, либо то и другое одновременно. В любом случае это приводит к увеличению объема сигнала.

В реальных системах все эти методы повышения помехоустойчивости применяются в различной степени в различных сочетаниях.

Контрольные

вопросы к

лекции 9

9-1. Для чего предназначены идентифицирующие параметры несущей при модуляции?

9-2. Для чего предназначены информативные параметры несущей при модуляции?

9-3. В чем состоит основное назначение модуляции?

9-4. На какие виды подразделяется модуляция в зависимости от вида используемой несущей?

9-5. Какой параметр гармонической несущей является информативным при амплитудной модуляции?

9-6. Какой параметр гармонической несущей является информативным при частотной модуляции?

9-7. Какой параметр гармонической несущей является информативным при фазовой модуляции?

9-8. Что называется коэффициентом или глубиной амплитудной модуляции?

9-9. Из каких гармонических составляющих состоит спектр синусоиды, модулированной по амплитуде синусоидой?

9-10. Как можно найти спектр модулированного по амплитуде сигнала при гармонической несущей и произвольном модулирующем сигнале с известным спектром?

9-11. Как полоса частот модулированного по амплитуде сигнала зависит от максимальной частоты модулирующего сигнала?

9-12. Какой вид модуляции называется манипуляцией?

9-13. К чему приводит ограничение полосы пропускания при амплитудной манипуляции?

9-14. В чем состоят недостатки метода амплитудной модуляции с двумя боковыми полосами?

9-15. В чем состоят достоинства метода АМ-ОБП?

9-16. Что называется девиацией частоты при частотной модуляции?

9-17. Что называется индексом частотной модуляции?

9-18. Из каких гармонических составляющих состоит спектр ЧМ-сигнала при гармонической несущей и гармоническом модулирующем сигнале?

9-19. Как ширина спектра ЧМ-сигнала зависит от величины индекса частотной модуляции?

9-20. Какую частотную модуляцию называют узкополосной?

9-21. Чем определяется практически необходимая ширина спектра при широкополосной частотной модуляции?

9-22. В чем состоит принципиальное отличие двух видов угловой модуляции?

9-23. Что представляет собой индекс фазовой модуляции?

9-24. В чем состоит явление обратной работы?

9-25. В чем состоит отличие относительной фазовой модуляции от фазовой модуляции?

9-26. Какими способами образуется манипуляционный элемент при методах многократной фазовой модуляции?

9-27. Какие параметры несущей модулируются при КАМ?

9-28. Что называется сигнальным созвездием?

9-29. Как с помощью сигнальных созвездий осуществляется сравнение различных методов модуляции по помехоустойчивости?

9-30. Чем отличаются АИМ –1 и АИМ –2?

9-31. Какой параметр несущей модулируется при ШИМ?

9-32. Какой параметр несущей модулируется при ФИМ?

9-33. Какой параметр несущей модулируется при ЧИМ?

9-34. Какие гармонические составляющие содержит спектр АИМ-сигнала при гармоническом модулирующем сигнале?

9-35. С помощью какого устройства можно выделить модулирующий сигнал из АИМ-сигнала?

9-36. При каком условии можно выделить модулирующий сигнал из АИМ-сигнала с помощью ФНЧ?

9-37. Чем определяется практически необходимая ширина спектра при АИМ?

9-38. Каковы преимущества ФИМ по сравнению с другими видами импульсной модуляции?

9-39. В чем состоит суть ИК-модуляции?

9-40. Что квантуется и кодируется при ДИКМ?

9-41. Какой метод ДИКМ называется адаптивной ДИКМ?

9-42. Какой вид искажений при ДИКМ называется перегрузкой по крутизне?

9-43. Почему ДИКМ предъявляет более высокие требования к качеству канала связи?

9-44. В чем состоит суть метода дельта-модуляции?

9-45. Что называется дельта-кодом?

9-46. Какие требования предъявляются к частоте дискретизации при использовании дельта-модуляции?

9-47. Почему ДМ предъявляет более низкие требования к качеству канала связи, чем ИКМ?

9-48. Как определяется объем сигнала?

9-49. Как определяется объем канала?

9-50. Что является необходимым и достаточным условиями передачи сигнала по каналу?

9-51. Чему эквивалентно преобразование переноса сигнала вдоль оси времени?

9-52. Чему эквивалентно преобразование переноса сигнала вдоль оси частот?

9-53. Чему эквивалентно преобразование переноса сигнала вдоль оси динамического диапазона?

9-54. Чем преобразования деформации объема сигнала отличаются от преобразований переноса объема сигнала?

9-55. В чем состоят достоинства и недостатки метода повышения помехоустойчивости за счет увеличения мощности сигнала?

9-56. В чем состоят достоинства и недостатки метода повышения помехоустойчивости за счет использования различных видов модуляции?

9-57. В чем состоят достоинства и недостатки метода повышения помехоустойчивости за счет использования различных методов фильтрации?

9-58. Какие системы передачи данных называются системами с информационной обратной связью?

9-59. Какие системы передачи данных называются системами с решающей обратной связью?

9-60. В чем состоят достоинства и недостатки метода повышения помехоустойчивости за счет использования различных методов помехоустойчивого кодирования?

Лекция 10

Основы

статистического

подхода к

определению

количества

информации