Лекция 14. Модели каналов связи

1. 
   Характеристики дискретного канала связи
   
2. 
   Влияние шумов на пропускную способность дискретного канала связи
   
3. 
   Однородный двоичный симметричный канал
   
4. 
   Однородный симметричный канал со стиранием
   
5. 
   Модель потока ошибок в дискретных каналах
   

Использование информации для решения каких-либо задач, безусловно, сопряжено с необходимостью ее распространения, т. е. осуществления процессов передачи и приема. При этом приходится решать проблему согласования метода кодирования с характеристиками канала связи, а также обеспечить защиту передаваемой информации от возможных помех и искажений.

Н
апомним обобщенную схему передачи информации по линии связи (рис. 1).

Рис. 1. ­ Обобщенная структурная схема системы передачи дискретных сообщений (передачи данных)
На рис.1 обозначены:

ИДС – источник дискретных сообщений; КИ – кодер источника; Скр – скремблер; КК – кодер канала; Пер – перемежитель; М – модулятор (передатчик); НКС+П – непрерывный

ПДС – получатель дискретных сообщений; ДИ – декодер источника; ДСкр – дескремблер; ДК – декодер канала; ДПер – деперемежитель; ДМ – демодулятор (приемник); канал связи + помеха.

1. Источник дискретных сообщений – физический объект, система или явление, формирующие передаваемое сообщение. Значительная часть передаваемых сообщений по своей природе не является сигналами – это массивы чисел, текстовые или иные файлы и тому подобное.

2. Кодер источника – Большинство исходных сообщений подвергаются эффективному кодированию (сжатию) с целью согласования с параметрами канала. Целью кодированияисточникаявляетсяпреобразованиеразличныхсообщенийводнообразнуюформу, упрощающуюпроцесспередачи, атакжесокращениеобъемаинформациисцельюповышенияскоростиеепередачиили сокращенияполосычастот, требуемыхдляпередачи.

3. Скремблер (от англ. to scramyle – перемешивать, шифровать) – это алгоритм, разработанный для побитной последовательной передачи информации, позволяющий зашифровать цифровой поток таким образом, что на выходе получается последовательность, обладающая свойствами случайной: равновероятным появлением нуля и единицы. Такое преобразование потока не меняет скорость передачи, а также является обратимым.

---

4. Кодер канала – устройство (программа), обеспечивающее надежную передачу закодированного сообщения источника по линии связи, в которой из-за действия помех и других факторов возможны ошибки в передаче, а именно искажения отдельных символов кодовых последовательностей и, в том числе, стирания.

5. Перемежитель – фундаментальный компонент помехоустойчивого кодирования, предназначенный для борьбы с пакетированием ошибок, использующий перемешивание (перемежение) символов передаваемой последовательности на передаче.

6. Модулятор – преобразует закодированные сообщения в высокочастотные радиосигналы, свойства которых позволяли бы передавать их по радиоканалу связи. Процедуру модуляции иногда называют наложением сообщения на сигнал, выступающий в качестве переносчика информации. Модуляция называется посимвольной, если сигнал, соответствующий кодовому слову, представляет собой последовательность элементарных сигналов, соответствующих отдельным символам кодового слова

Непрерывный канал связи – совокупность устройств и физических сред, обеспечивающих на определенном временном интервале передачу непрерывного сигнала.

Помеха – воздействие нежелательной энергии, вызванное одним или несколькими излучениями или индукциями, на приём в системе связи, проявляющееся в любом ухудшении качества, ошибках или потерях информации, которых можно было бы избежать при отсутствии такой нежелательной энергии.

Демодулятор – устройство, предназначенное для выделения информационного сигнала из модулированного высокочастотного колебания.

Деперемежитель – компонент помехоустойчивого декодирования, предназначенный для восстановление структуры перемеженных символов принятой последовательности на приёме.

Декодер канала – осуществляет декодирование, в результате которого получаем комбинацию исходного кода. Часто кодер и декодер канала называют устройством защиты от ошибок (УЗО).

Дескремблер – устройство, предназначенное для восстановления исходной структуры цифрового сигнала, преобразованного скремблером

Декодер источника – Декодирует эффективные коды. Присутствует в схеме только при наличии кодера источника.

Получатель дискретного сообщения – физический объект, система или явление, получающее передаваемое сообщение.

---

Дискретный канал – канал, предназначенный для передачи только дискретных сигналов (цифровых сигналов данных). преобразует кодовые символы в физические сигналы, удобные для передачи по линии связи.

Канал передачи данных – средства для двухстороннего обмена данными между источником и получателем сообщений.

1. 
   Характеристики дискретного канала связи
   

Обратим внимание, что дискретность — это не свойство канала связи, а свойство передаваемых по нему сигналов!

Каналы для передачи информации могут иметь самую разнообразную физическую природу (по виду среды распространения сигнала электросвязи различают проводные каналы передачи, организованные по воздушным линиям связи (ВЛС), кабельным линиям (КЛС) (симметричного и коаксиального кабеля) и волоконно-оптическим линиям (ВОЛС), каналы радиосвязи, организованные по радиорелейным и спутниковым линиям связи). Однако нас не будут интересовать механизмы, приводящие к возможным изменениям сигналов при их передаче по каналу — это позволяет рассматривать канал как некий «черный ящик», на вход которого подается последовательность сигналов и какая-то последовательность получается на выходе (рис. 2).

Источник дискретных сообщений (ИДС) использует для представления информации первичный алфавит {x}. Кодер источника (КИ) кодирует знаки первичного алфавита n элементарными сигналами с алфавитом {y}. Вследствие воздействия помех в процессе передачи алфавит принимаемых сигналов может отличаться от алфавита входных сигналов, как их числом так и характеристиками — пусть это будет алфавит {y}, содержащий m элементарных сигналов. Несовпадение алфавитов сигналов приводит к тому, что на выходе канала появляются такие комбинации элементарных сигналов, которые не могут быть интерпретированы как коды знаков первичного алфавита.

Вводя количественные характеристики процесса передачи информации, постараемся выделить из них те, которые зависят только от свойств канала, и те, которые определяются особенностями источника дискретного сообщения.

Дискретный канал считается заданным, если известны:

• время передачи одного элементарного сигнала τ;

• исходный алфавит элементарных сигналов {x}, т. е. все его знаки x_i, i = 1 . . . n, где n — число знаков алфавита {x};

• n значений вероятностей появления элементарных сигналов на входе

---

p(x_i); эти вероятности называются априорными (поскольку они определяются не свойствами канала, а источником сообщения, т.е. являются внешними по отношению к каналу и самому факту передачи сообщения);

• алфавит сигналов на выходе канала {y}, т. е. все знаки y_j, j = 1, ... , m, где m — число знаков алфавита {y}; в общем случае n m;

• значения условных вероятностей p(y_j|x_i), каждая из которых характеризует вероятность появления на выходе канала сигнала y_j при условии, что на вход был послан сигнал x_i; поскольку эти вероятности определяются свойствами самого канала передачи, они называются апостериорными; очевидно, количество таких вероятностей равно nm:



Очевидно также, что для каждой строки выполняется условие нормировки:



Как мы увидим в дальнейшем, все остальные характеристики дискретного канала могут быть определены через перечисленные параметры.

Дискретный канал называется однородным, если для любой пары i и j условная вероятность p(y_j|x_i) с течением времени не изменяется (т. е. влияние помех все время одинаково).

Дискретный канал называется каналом без памяти, если p(x_i) и p (y_j|x_i) не зависят от места знака в первичном сообщении (т.е. отсутствуют корреляции знаков). Если все переданные сигналы прошли канал без искажений, то такой канал называется идеальным (без шума).

Если все переданные сигналы на приемном конце были заменены протиповоложными, то канал называется идеальным инвертирующим.

Будем считать, что для передачи используются колебательные или волновые процессы — с практической точки зрения такие каналы представляют наибольший интерес (в частности, к ним относятся компьютерные линии связи).

Введем ряд величин, характеризующих передачу информации по каналу.

Длительность элементарного импульса. Будем считать, что передача информации в канал осуществляется элементарными импульсами, совокупность которых и образует алфавит сигналов на входе {

---

x}. При двоичном кодировании, очевидно, таких сигналов два – 0 (пауза) и 1 (импульс). Будем считать также, что их длительность одинакова и составляет τ. Из этого, в свою очередь, следует, что передача ведется на фиксированной частоте (она называется также несущей)



и означает в свою очередь, что за 1 с в канал могут быть посланы ν_m сигналов.

Если код знака первичного алфавита состоит из k_i элементарных сигналов, время его передачи по каналу составит
t_i = k_iτ, а среднее время передачи кодовой комбинации одного знака первичного алфавита t = K(A, x)τ.

Пропускная способность канала связи. С передачей одного элементарного сигнала связано некоторое количество информации I_s. Если общее число различных элементарных сигналов n, а вероятности их появления p(x_i), i = 1, . . . , n, то согласно формуле Шеннона



Как мы неоднократно убеждались ранее, данная величина зависит от распределения вероятностей знаков; своего максимального значения она достигает при условии, что появление всех элементарных сигналов (знаков вторичного алфавита) будет равновероятным – в таком случае

I_s = I_s^max = log₂ n.

Это значение является предельным (наибольшим) для информационного содержания элементарного сигнала выбранного вторичного алфавита. Поскольку такое количество информации передается за время τ, можно ввести величину, характеризующую предельную интенсивность информационного потока через канал, – пропускную способность канала

(1)

Данная величина является характеристикой канала связи, поскольку зависит только от его особенностей. Это выражение служит определением пропускной способности как идеального канала (без помех), так и реального канала с помехами — просто, как мы увидим далее, информационное содержание элементарного сигнала в реальном канале оказывается меньше log₂ n.

Если I_s^max выражено в битах, а τ — в секундах, то единицей измерения C будет бит/с. Производными единицами являются:

---

Смотрите также файлы

• Дисциплина Информатика и информационнокоммуникационные технологии в профессиональной деятельности Практическое занятие 4 Обучающийся Уланова Александра Александровна Преподаватель Афанасьева Ирина Эриковна.doc

• Натуральный ряд чисел. 5 класс, умк а. Г. Мерзляк, В. Б. Полонский и др.docx

• Исследование ценностей национальнокультурной самостоятельности в отдельных социальнодемографических группах населения России.docx

• Характеристики дискретного канала связи Влияние шумов на пропускную способность дискретного канала связи Однородный двоичный симметричный канал.pptx

• Солнце огромный пылающий шар. Большая Медведица.docx