Непрерывный канал

Каналы, при поступлении на вход которых непрерывного сигнала на его выходе сигнал тоже будет непрерывным, называют непрерывными . Они всегда входят в состав дискретного канала. Непрерывными каналами являются, например, стандартные телефонные каналы связи (каналы тональной частоты - ТЧ) с полосой пропускания 0,3…3,4 кГц, стандартные широкополосные каналы с полосой пропускания 60…108 кГц, физические цепи и др. Модель канала может быть представлена в виде линейного четырехполюсника (рисунок 3.4)

Рисунок 3.4 - Модель линейного непрерывного канала

Дискретный канал

С целью согласования кодера и декодера канала с непрерывным каналом связи используются устройства преобразования сигналов (УПС), включаемые на передаче и приеме. В частном случае - это модулятор и демодулятор. Совместно с каналом связи УПС образуют дискретный канал (ДК) , т.е. канал, предназначенный для передачи только дискретных сигналов.

Дискретный канал характеризуется скоростью передачи информации, измеряемой в битах в секунду (бит/с). Другой характеристикой дискретного канала является скорость модуляции, измеряемая в бодах. Она определяется числом элементов, передаваемых в секунду.

Двоичный симметричный канал . Двоичный симметричный канал (binary symmetric channel - BSC) является частным случаем дискретного канала без памяти, входной и выходной алфавиты которого состоят из двоичных элементов (0 и I). Условные вероятности имеют симметричный вид.

Уравнение (3.6) выражает так называемые вероятности перехода .

Марковские модели ДК. Состояния каналов можно различать по вероятности ошибки в каждом из состояний. Изменения вероятности ошибки можно, в свою очередь, связать с физическими причинами - появлением перерывов, импульсных помех, замираний и т.д. Последовательность состояний является простой цепью Маркова. Простой цепью Маркова называется случайная последовательность состояний, когда вероятность того или иного состояния в i- тый момент времени полностью определяется состоянием c i-1 в (i- 1) -й момент. Эквивалентная схема такого канала представлена на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 - Эквивалентная схема дискретного симметричного канала при описании его моделью на основе цепей Маркова

Модель Гильберта. Простейшей моделью, основанной на применении математического аппарата марковских цепей, является модель источника ошибок, предложенная Гильбертом. Согласно этой модели, канал может находиться в двух состояниях- хорошем (состояние 1) и плохом (состояние 2). Первое состояние характеризуется отсутствием ошибок. Во втором состоянии ошибки появляются с вероятностью р ош (2) .

Помехи в каналах связи

В реальном канале сигнал при передаче искажается, и сообщение воспроизводится с некоторой ошибкой. Причиной таких ошибок являются искажения, вносимые самим каналом, и помехи, воздействующие на сигнал. Следует четко отделить искажения от помех, имеющих случайный характер. Помехи заранее не известны и поэтому не могут быть полностью устранены.

Под помехой понимается любое воздействие, накладывающееся на полезный сигнал и затрудняющий его прием. Помехи разнообразны по своему происхождению: грозы, помехи электротранспорта, электрических моторов, систем зажигания двигателей и т.д.

Практически в любом диапазоне частот имеют место внутренние шумы аппаратуры, обусловленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, так называемый тепловой шум.

Классификация помех. Гармонические помехи - представляют собой узкополосный модулированный сигнал. Причинами возникновения таких помех являются снижение переходного затухания между цепями кабеля, влияние радиостанций. Импульсные помехи - это помехи, сосредоточенные по времени. Они представляют собой случайную последовательность импульсов, имеющих случайные интервалы времени, причем, вызванные ими переходные процессы не перекрываются по времени.

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.

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.

Наиболее распространенный тип канала - телефонный с полосой пропускания кГц и диапазоном частот от = 0,3 кГц до = 3,4 кГц.

Данные от источника информации, после преобразования параллельного кода в последовательный, представляют обычно в виде беспаузного сигнала без возвращения к нулю (БВН), который соответствует сигналу с двуполярной АМ (рис. 2.1). Для передачи прямоугольных импульсов без искажений требуется полоса частот от нуля до бесконечности. Реальные каналы имеют конечную полосу частот, с которой необходимо согласовать передаваемые сигналы путем модуляции.

Структурная схема дискретного канала с ЧМ приведена на рис. 2.2.

Передаваемое сообщение от источника информации ИИ в параллельном коде поступает на кодер канала КК, который преобразует параллельный код в последовательный двоичный БВН-код. При этом кодер канала вводит избыточные символы в сообщение (например, бит контроля на четность) и формирует стартовый и стоповый биты на каждый кадр передаваемых данных. Таким образом, выходной сигнал с кодера является модулирующим сигналом для модулятора.

В зависимости от состояния модулирующего сигнала («0» или «1») частотный модулятор формирует частотные посылки с частотой и . При поступлении на модулятор сигнала положительной полярности модулятор формирует частоту , называемой верхней характеристической частотой.

Рис. 14.2 - Структурная схема системы передачи информации с частотной модуляцией:

ИИ - источник информации; ИП - источник помех; КК - кодер канала; ПФ2 - полосовой фильтр приемника; М - модулятор; УО - усилитель-ограничитель; ПФ1 - полосовой фильтр передачи; ДМ - демодулятор; ДК - декодер канала; ЛС - линия связи; П - получатель информации ИИ - источник информации; ИП - источник помех; КК - кодер канала; ПФ2 - полосовой фильтр приемника; М - модулятор; УО - усилитель-ограничитель; ПФ1 - полосовой фильтр передачи; ДМ - демодулятор; ДК - декодер канала; ЛС - линия связи; П - получатель информации

Частота является средней частотой, - девиацией (отклонением) частоты. При поступлении на вход модулятора отрицательной посылки на его выходе появляется частота , называемая нижней характеристической частотой. Сигнал на выходе модулятора можно рассматривать как суперпозицию двух АМ сигналов, один из которых имеет несущую , а другой . Соответственно спектр ЧМ сигнала может быть представлен как суперпозиция спектров двух АМ сигналов (рис. 2.3).

Ширина спектра ЧМ сигнала шире чем у АМ сигнала на величину, определяемую расстоянием между несущими и . Значение характеризует изменение частоты при передаче единицы или нуля относительно ее среднего значения и называется девиацией частоты. Отношение девиации частоты к скорости модуляции В называется индексом частотной модуляции:

.

Рис. 14.3 - Спектр ЧМ сигнала

Полосовой фильтр передатчика ПФ1 ограничивает спектр сигнала, передаваемого в канал связи в соответствии с нижней и верхней границей полосы канала. Ширина спектра сигнала на выходе модулятора зависит от скорости двоичной модуляции и девиации частоты. Приблизительно . Чем больше индекс модуляции, тем шире при прочих равных условиях спектр ЧМ сигнала.

Полосовой фильтр приемника ПФ2 выделяет полосу частот телефонного канала, что позволяет избавиться от помех, находящихся вне полосы пропускания ПФ2. Далее сигнал усиливается усилителем-ограничителем УО. Усилитель компенсирует потери энергии сигнала в линии за счет затухания. Кроме этого усилитель выполняет дополнительную функцию - функцию ограничения сигнала по уровню. При этом удается обеспечить постоянство уровня сигнала на входе частотного демодулятора Д при изменении уровня на входе приемника в довольно широких пределах. В демодуляторе импульсы переменного тока преобразуются в посылки постоянного тока. В декодере канала происходит преобразование символов в сообщения. При этом, в зависимости от используемого способа кодирования, происходит обнаружение или исправление ошибок.

Дискретный канал - канал связи, используемый для передачи дискретных сообщений.

Состав и параметры электрических цепей на входе и выходе ДК определены соответствующими стандартами. Характеристики могут быть экономичными, технологичными и техническими. Основными являются технические характеристики. Они могут быть внешними и внутренними.

Внешние - информационные, технико-экономические, технико-эксплуатационные.

На скорость передачи существует несколько определений.

Техническая скорость характеризует быстродействие аппаратуры входящих в состав передающей части.

где m i - основание кода в i-ом канале.

Информационная скорость передачи - связана с пропускной способностью канала. Она появляется с появлением и быстрым развитием новых технологий. Информационная скорость зависит от технической скорости, от статистических свойств источника, от типа КС, принимаемых сигналов и помех, действующих в канале. Предельным значением является пропускная способность КС:

где?F - полоса КС;

По скорости передачи дискретных каналов и соответствующих УПС принято подразделять на:

• - низкоскоростные (до 300 бит/сек);
• - среднескоростные (600 - 19600 бит/сек);
• - высокоскоростные (более 24000 бит/сек).

Эффективная скорость передачи - количество знаков в единицу времени, предоставленных получателю с учетом непроизводительных затрат времени (время фазирования СС, время отводимое на избыточные символы).

Относительная скорость передачи:

Достоверность передачи информации - используется в связи, что в каждом канале имеются посторонние излучатели, которые искажают сигнал и затрудняют процесс определения вида передаваемого единичного элемента. По способу преобразования сообщений в сигнал помехи бывают аддитивные и мультипликативные. По форме: гармонические, импульсные и флуктуационные.

Помехи приводят к ошибкам в приеме единичных элементов, они случайны. В этих условиях вероятность характеризуется безошибочностью передачи. Оценкой верности передачи может служить отношение числа ошибочных символов к общему

Часто вероятность передатчика оказывается меньше требуемой, следовательно, принимают меры по увеличению вероятности ошибок, устранение принимаемых ошибок, включение в канал некоторых дополнительных устройств, которые уменьшают свойства каналов, следовательно, уменьшают ошибки. Улучшение верности связано с дополнительными материальными затратами.

Надежность - дискретный канал, как и любая ДС не может работать безотказно.

Отказом называют событие, заканчивающееся в полной или частичной утробе системы работоспособности. Применительно к системе передачи данных отказ - событие, вызывающее задержку принимаемого сообщения на время t зад >t доп. При этом t доп в разных системах различна. Свойство системы связи, обеспечивающее нормальное выполнение всех заданных функций называются надежностью. Надежность характеризуется средним временем наработки на отказ T о, средним временем восстановления T в, и коэффициентом готовности:

Вероятность безотказной работы показывает, с какой вероятностью система может работать без единого отказа.