Каналы связи (02) Лекция 2 PDF

Каналы Связи  Канал связи (англ. channel, data line) — система технических средств и среда распространения сигналов для передачи сообщений (не только данных) от источника к получателю (и наоборот). Канал связи, понимаемый в узком смысле, представляет только физическую...

Каналы Связи  Канал связи (англ. channel, data line) — система технических средств и среда распространения сигналов для передачи сообщений (не только данных) от источника к получателю (и наоборот). Канал связи, понимаемый в узком смысле, представляет только физическую среду распространения сигналов, например, физическую линию связи. Передатчик, канал связи и приёмник формируют систему передачи информации или систему связи. Различают несколько основных каналов связи: Непрерывный канал связи Дискретный канал непрерывного времени Дискретный канал связи Расширенный дискретный канал  Непрерывный канал связи Непрерывный канал связи (НКС) - канал связи предназначенный для передачи непрерывных (аналоговых) сигналов. На входе и выходе НКС – непрерывный сигнал непрерывного времени. НКС – канал тональной частоты (0,3 - 3,4 кГц), стандартный широкополосный канал (60 - 108 кГц), физическая цепи и др. Мультипликативная Импульсная характеристика Аддитивные четырехполюсника – реакция импульсные помехи помеха на входной сигнал μ(t) ξ1(t) ξ2(t) ξ2(t) Сигнал в виде дельта-функции на выходе s(t) s*(t) s(t) χ(∙) g(t, τ) Сигнал на входе Аддитивные Аддитивные Амплитудная гауссовские шумы сосредоточенные характеристика нелинейного по спектру помехи четырехполюсника, моделирующего преобразования сигнала в канале  Помехи и шумы На выходе непрерывного канала всегда действуют гауссовские помехи. К ним относиться тепловой шум. Эта помеха неустранима. Сосредоточенные по спектру (гармонические помехи) – узкополосный модулированный сигнал. Причины возникновения: снижение переходного затухания между цепями кабеля, влияние радиостанций и т.п. Импульсные помехи – сосредоточенны по времени. Случайная последовательность импульсов со случайной амплитудой и случайной скважностью. Причины возникновения: коммутационные шумы, наводки с ВЛ, грозовые разряды и т.п. Импульсные помехи и перерывы – основная причина появления ошибок при передачи дискретных сообщений по проводным каналам связи.  Помехи и шумы Флуктуационная помеха – хаотическая последовательность кратковременных импульсов со случайной параметрами. Внутренние шумы приемника, космические помехи, редко индустриальная помеха. Мультипликативные помехи – случайные изменения параметров канала связи. Эти помехи проявляются в изменении уровня сигнала на выходе демодулятора. Плавные изменения - больше τ0, скачкообразные - меньше τ0. Причины плавных изменений уровней: колебания затухания линии связи (изменение погоды), замирания. Причины скачкообразных: плохие контакты, несовершенство аппаратуры, технологии измерений.  Помехи и шумы К искажениям формы сигнала на выходе НКС приводят также сдвиг его спектральных составляющих по частоте df, фазовые скачки и фазовое дрожание ∆(t) несущего колебания. В результате появляется паразитная угловая модуляция. 2π Искаженный Исходный сигнал сигнал ∆ Фазовый скачок ё Фазовое дрожание Фазовые скачки  Непрерывный канал связи Одной из основных характеристик непрерывного канала является его пропускная способность:  Pc  C  Fk log 2 1    Pш  Формула (Теорема) Шеннона - Хартли  Дискретный канал непрерывного времени На входе канала – На выходе - дискретный сигнал дискретный сигнал дискретного времени, непрерывного времени. Помехи Искажения Ошибки Непрерывный Регистрирующее УПС Демодулятор устройство канал Канал постоянного тока Дискретный канал непрерывного времени Дискретный канал  Искажения Под действием различных Неискаженный сигнал дестабилизирующих факторов: t - не идеальность а б в г д е ж з характеристик НКС, - действие помех, Искаженный сигнал элементы сигнала могут ∆t1 ∆t2 ∆t4 ∆t5 ∆t3 искажаться по длительности, т. е. появляются краевые t искажения и дробления. а б в г д е ж з  Дестабилизирующие факторы Индивидуальные КИ Преобладания – – смещения ЗМ элементы одного относительно знака удлиняются, а идеального значащего другого укорачиваются. момента ∆t; Случайные краевые искажения – под Относительные КИ – воздействием помех. Дробления – это Характеристические это индивидуальные, искажения, при отнесенные к искажения – которых один длительности элемент определяются единичного элемента. преобразуется в характером несколько более передаваемой коротких (дробится). последовательности. +Δt -Δt  Методы регистрации сигналов Регистрация - это процесс определения и запоминания значащей позиции сигнала данных. Метод стробирования – значащая позиция принимаемого элемента определяются на основании анализа знака импульса в середине единичного интервала. Если индивидуальное краевые искажения не превышает 0,5τ, то элемент регистрируются правильно. Интегральный метод регистрации - решение о виде принятого элемента выносится на основании анализа напряжения на всем единичном интервале. В идеальном случае (если единичный. элемент не искажен), то Uвых = 1; решением о «1» принимается при Uвых >= 0,5; решением о «0» принимается при Uвых < 0,5.  Метод стробирования 3 строб 1 4 6 «1» Кл.1 В В Uвх х. ы х. Uвых У. 2 5 У. 7 «0» Кл.2 Простейшая схема регистрации методом стробирования Схема состоит из входного устройства, двух ключей и RS-триггера. Входное устройство имеет два выхода на один транслируется входной сигнал без изменений, а на другой с инверсией (точки 1 и 2). Стробирующие импульсы открывают ключи на время своего существования. Через ключи высокий потенциал поступает на один из входов триггера и переводит его в соответствующее состояние. Последовательность 4 – устанавливает триггер в “1”, а 5 – сбрасывает триггер в “0”.  Метод стробирования 3 Uвх строб 1 4 6 Кл «1» 3 1 В В ы Uвх х х Uвых У 2 5 7 У «0» Кл 4 2 5 Uвых 0,5τ τ  Интегральный метод строб Решающее Ключ Счетчик устройство от ПУ ТИ На ключ поступают стробирующие импульсы. Управление ключом производится сигналом с выхода порогового устройства. Импульсы прошедшие ключ подсчитываются счетчиком. По приходу тактового импульса решающее устройство считывает показание счетчика, сравнивает его с пороговым значением и принимает решение о значащей позиции на текущем интервале. Алгоритм принятия решения: Пусть за время неискаженной токовой посылки появляется N тактовых импульсов, тогда: если показание счетчика > N/2 + 1 – решение “1”, если меньше, то “0”.  Метод интегрирования от ПУ строб 3 N Решающее строб Ключ Счетчик устройство 3 от ПУ ТИ 9 11 3 9 8 ТИ τ τ  Сравнение методов регистрации Вероятности неправильного приема при краевых искажениях (и) (с) Pош.к. > Pош.к. Вероятности неправильного приема при дроблениях (и) (с) Pош.д. < Pош.д. Вероятность при совместном действии краевых искажений и дроблений Pош. ≈ Pош.д. + Pош.к. - Pош.д.*Pош.к.  Дискретный канал связи Дискретный канал (ДК) - это канал, предназначенный для передачи дискретных сигналов. Дискретный канал состоит: - из физической среды передающей сигналы в обе стороны; - из пары канальных сервисных блоков (УПС). Различают синхронные и асинхронные дискретные каналы В синхронных дискретных каналах ввод каждого единичного элемента производится в строго определенные моменты времени и они предназначены для передачи только изохронных сигналов. По асинхронному каналу можно передавать любые сигналы - изохронные, анизохронные.  Дискретный канал связи Дискретный канал включает НКС + УПС приема и передачи. Алфавит ДК состоит из двух сообщений “1” и “0”. Верность передачи информации характеризуется коэффициентом ошибок по единичным элементам. Kош = nош / Nпер отношение числа ошибочно принятых элементов к общему числу переданных  Дискретный канал 1 Постоянный симметричный канал без памяти 2 Постоянный симметричный канал без памяти со стиранием 3 Несимметричный канал без памяти 4 Канал с памятью  Постоянный симметричный канал без памяти 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 предыстории, 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. q=1-p 0* 0 p p 1 q=1-p 1*  Постоянный симметричный канал без памяти со стиранием 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. 0 0* q=1-(p+pc) pc p p pc q=1-(p+pc) 1 1*  Несимметричный канал без памяти 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. q=1-p1 0* 0 p1 p2 1 q=1-p2 1*  Канал с памятью Простейшей моделью двоичного канала с памятью является марковская модель, определяемая матрицей переходных вероятностей: 1  p1 p1  P  p2 1  p2   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. Марковский канал (цепи) www.themegallery.com Известные модели дискретного канала Модель Гильберта (два состояния: плохое (B) и хорошее (G)? В состоянии G ошибок не происходит, в состоянии В ошибки возникают независимо с вероятностью рош. (Чаще всего рош = 0,5) Модель Эллиота-Гильберта Модель Маккуло Модель Смита-Боуэна-Джойса Модель Петровича Модель Фричмана и Фричмана-Свободы Модель Мюллера Модель Беннета-Фройлиха Модель Амосова-Колпакова Модель Бергера-Мальдельброта Модель Дувакина др. www.themegallery.com  Расширенный дискретный канал Расширенный дискретный канал - это канал, который включает в себя дискретный канал и кодер – декодер канала. Алфавит канала состоит из 2n сообщений, где n – число элементов в кодовой комбинаций. РДК характеризуется: - коэффициентом ошибок по кодовым комбинациям (отношение числа ошибочно принятых кодовых комбинаций к числу переданных) - эффективной скоростью передачи информации Основная задача РДК - повышение верности передачи.  Расширенный дискретный канал Мероприятия по повышению верности передачи: - меры эксплуатационного и профилактического характера - увеличение отношения сигнал – помеха (увеличение амплитуды длительности) - применение более помехоустойчивых методов модуляции - совершенствование методов обработки - выбор оптимальных сигналов - введение избыточности в передаваемую последовательность, то есть помехоустойчивое кодирование  Каналы связи Помехи УПС Кодер Кодер Непрерывный Демоду Регистра Декодер Декодер источника канала Модулятор канал лятор ПУ ция канала источника Полунепрерывный канал Дискретный канал Расширенный дискретный канал Канал связи (в общем понимании)