СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЙ ДИСКРЕТНОГО ХАРАКТЕРА

В настоящее время во всем мире, в том числе и в РФ, возросли требования к сетям связи как с точки зрения обеспечения высоких показателей надежности связи, так и расширения перечня предоставляемых услуг абонентам. Удовлетворение потребностей в средствах связи, развитие и модернизация сетей электросвязи, может быть реализована на базе новых технологий, таких как оптические линии связи, цифровые системы коммутации и цифровые системы передачи. Интенсивное развитие цифровых систем передачи объясняется существенными их преимуществами по сравнению с аналоговыми системами передачи информации.

Современная система связи представляет собой сложную совокупность устройств, выполняющих преобразования сообщений и сигналов с целью наиболее эффективной передачи информации. К показателям эффективности относятся достоверность и скорость передачи информации, а также некоторые другие величины. Упрощенная схема системы передачи (системы связи) показана на рисунке 1.

При передаче непрерывного сообщения a его преобразуют в непрерывный первичный сигнал b(t), а затем с помощью модулятора формируют канальный сигнал u(t), который посылают в линию связи. Принятый сигнал z(t) подвергается обратным преобразованиям, в результате которых выделяется первичный сигнал b’(t), а затем восстанавливается сообщение a’, которое из-за воздействия шумов и помех может отличаться от исходного.

Рисунок 1. Структурная схема системы связи

Сообщение, поступающее от источника, в ряде случаев содержит избыточность, то есть, за заданный промежуток времени будет передано меньше сообщений, и, следовательно, менее эффективно будет использоваться канал передачи дискретных сообщений. Задачу устранения избыточности на передаче в системе передачи дискретных сообщений выполняет кодер источника.

С целью обеспечения заданной достоверности при передаче или хранении информации используется помехоустойчивое канальное кодирование, позволяющее на приёмном конце обнаруживать и исправлять ошибки.

Теория помехоустойчивого кодирования базируется на результатах исследований, проведенных Клодом Шенноном. Он сформулировал теорему для дискретного канала с шумом: при любой скорости передачи двоичных символов, меньшей, чем пропускная способность канала, существует такой код, при котором вероятность ошибочного декодирования будет сколь угодно мала.

Введение кодера источника целесообразно в условиях высокой избыточности источника и отсутствия помех. При малой избыточности источника и высоком уровне помех целесообразно использование кодера канала. Использование обоих дополнительных кодирующих и декодирующих устройств целесообразно при большой избыточности и больших помехах. При малой избыточности и низком уровне помех введение кодера источника и кодера канала нецелесообразно.

Для независимых источников (источников без памяти) избыточность равна нулю (а энтропия максимальна) при равновероятности символов. Для источников с памятью избыточность тем больше, чем выше степень статистической зависимости символов в сообщении, при этом неопределенность относительно очередного символа в сообщении уменьшается, соответственно уменьшается и количество информации, переносимое этим символом.

Объем алфавита источника и количество символов, передаваемых по каналу, могут не совпадать. В таких случаях один символ источника кодируется последовательностью из нескольких кодовых символов. Если для всех символов источника длина кода одинакова, код – равномерный, в противном случае – неравномерным. Примером равномерного кода является код Бодо, смысл которого состоит в представлении каждой из букв алфавита двоичным числом фиксированной разрядности. При передаче сообщений неравномерным кодом говорят о средней длине кодового слова (усреднение длин кодовых слов производится по соответствующему распределению вероятностей).

Рассмотрим цифровую демодуляцию – восстановление кодовых символов на основе наблюдения реализации случайного процесса на выходе линии связи. При этом предполагается, что наблюдаемый процесс представляет собой сумму сигнала с шумом, если передается символ 1, и только шум – если передается 0.  Сигнал в самом простом случае является точно известным, а неопределенность, связанная с передачей информации, заключается в самом факте его наличия или отсутствия в наблюдаемом процессе.

Самый простой способ приема заключается во взятии мгновенного значения наблюдаемого процесса z(t) в момент времени t₀ и сравнении его с порогом y_П. На основании этого отсчета y=z(t₀) и принимается решение, есть сигнал в наблюдаемом колебании (гипотеза H₁), или нет (гипотеза H₀). Очевидно, точно зная сигнал, следует выбрать в качестве t₀ такой момент, когда сигнал принимает максимальное значение. Но шум может принять отрицательное значение, так что сумма сигнала с шумом может оказаться ниже порога. Тогда произойдет ошибка второго рода (пропуск сигнала). Аналогично при отсутствии сигнала шумовая реализация может в момент t₀ превысить порог – тогда произойдет ошибка первого рода, или ложная тревога. Чтобы найти наилучшее значение порога и рассчитать вероятности ошибок, нужно рассмотреть условные плотности распределения вероятностей шума w (y|H₀) и суммы сигнала и шума w (y| H₁) в момент времени t₀ [1].

Выбор порога происходит по критерию Котельникова (идеального наблюдателя), согласно которому пороговое значение выбирается так, чтобы обеспечить минимальную среднюю вероятность ошибки.

На практике иногда не удается обеспечить условия для когерентного приема сигналов, так как один или несколько параметров принимаемого сигнала оказываются неизвестными. Это приводит, в частности, к тому, что меняется начальная фаза несущего колебания. Если изменение происходит настолько медленно, что соседние посылки имеют практически одинаковую начальную фазу, то ее можно оценить и оценку использовать вместо точного значения при организации приема. Такой прием называют квазикогерентным. Если же начальная фаза изменяется (флюктуирует) быстро или устройство оценивания оказывается слишком сложным, тогда рассматривается задача приема сигнала со случайной начальной фазой, или некогерентного приема.

Физический смысл некогерентного приема методом однократного отсчета сводится к следующему: поскольку начальная фаза несущего колебания неизвестна, теперь нельзя выбрать t₀ измерения мгновенного значения так, чтобы значение сигнала s(t₀) было максимальным. Поэтому сначала выполняется выделение огибающей наблюдаемого процесса, а затем берется её отсчет V в любой момент в пределах длительности посылки.   Выбор порога V_П для принятия решения на основе однократного отсчета огибающей производится аналогично когерентному случаю с той разницей, что теперь мгновенное значение имеет негауссово распределение при обеих гипотезах. Если сигнала нет, наблюдаемый процесс представляет собой гауссовский шум с нулевым средним, а его огибающая V в произвольный момент времени имеет распределение Рэлея ω(V׀ H₀).  Если сигнал присутствует, огибающая процесса имеет распределение Рэлея–Райса ω(V׀H₁), что соответствует ненулевому среднему. Учет априорных вероятностей аналогичен когерентному случаю [1].

В случае приёма сигнала известной формы демодулятор должен вычислить значение корреляционного интеграла, которое сравнивается с порогом, выбираемым в соответствии с принятым критерием эффективности. Устройство, вычисляющее корреляционный интеграл, называется коррелятором.

Коррелятор является нестационарным (параметрическим) устройством и включает генератор опорного колебания, совпадающего по форме с ожидаемым сигналом на интервале наблюдения, и интегратор, на выходе которого в момент окончания интервала наблюдения формируется значение, сравниваемое с порогом.В некоторых случаях удобнее использовать ЛИС-цепь, которая вычисляет значение корреляционного интеграла и называется согласованным фильтром Согласованный фильтр обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум на выходе, тем самым максимизируя потенциальную вероятность решений демодулятора [2].

Список литературы:

1. Бабанин, И.Г. Проектирование системы передачи сообщений дискретного характера [Текст]: методические указания по выполнению курсового проекта по курсу «Общая теория связи» / И.Г.  Бабанин, Д.С.  Коптев А.Е. Севрюков - Курск: Юго-Западный государственный университет, 2018. - 17 с.
2. Васюков, В.Н. Теория электрической связи [Текст]: учебник/ В.Н. Васюков - Новосибирск: издательство НГТУ, 2005. - 392 с.