Основные характеристики и параметры систем связи

Работа любой системы связи оценивается прежде всего точностью и скоростью передачи информации. Первое определяет качество передачи, второе — количество. В реальной системе связи качество передачи связано со степенью искажений принятого сообщения. Эти искажения зависят от свойств и технического состояния системы, а также от интенсивности и характера помех. Если система связи спроектирована правильно и технически исправна, то необратимые искажения сообщений обусловлены лишь воздействием помех. В этом случае качество передачи полностью определяется помехоустойчивостью системы.

Под помехоустойчивостью понимают способность системы связи противостоять вредному влиянию помех на передачу сообщений. Поскольку действие помех проявляется в том, что принятое сообщение отличается от переданного, то количественно помехоустойчивость при заданной помехе можно характеризовать степенью соответствия принятого сообщения переданному. Эта величина характеризуется термином верность. Количественную оценку верности выбирают по-разному, в зависимости от характера сообщения и требований получателя. Можно показать, что верность передачи зависит от отношения средних мощностей сигнала и помехи (чаще — отношения сигнал/шум; англ. — signal-to-noise ratio — SNR; обозначают обычно это отношение как S/N).

В работах В. А. Котельникова и К. Шеннона показано, что при выбранном критерии и заданном множестве сигналов, принимаемых при определенной помехе (белом шуме; white noise), существует предельная (потенциальная) помехоустойчивость, которая ни при каком способе приема не может быть превзойдена. Приемник, реализующий потенциальную помехоустойчивость, называют оптимальным. При некой интенсивности помехи вероятность ошибки приема тем меньше, чем сильнее различаются сигналы, передающие разные сообщения. Проблема состоит в том, чтобы выбрать для передачи информации сильно различающиеся сигналы. Верность передачи можно повысить за счет усложнения методов модуляциидемодуляции и введения помехоустойчивого кодирования сообщений. Наконец, верность передачи зависит и от способа приема сообщений. Необходимо выбрать такой способ приема, который наилучшим образом реализует различие между сигналами при данном отношении сигнал/шум.

Другой важный показатель системы связи — скорость передачи информации.

Как уже отмечалось, объем передаваемой информации принято измерять в битах и байтах. Широко используют и более крупные производные единицы объема информации (как, впрочем, и объема памяти компьютеров): килобайт, мегабайт, гигабайт, а также, в последнее время, терабайт и петабайт.

При определении количества информации исторически сложилась такая ситуация, что с наименованиями «бит» и «байт» некорректно применяли (и применяют) приставки системы СИ (в соответствии с международным стандартом МЭК 60 027−2 эти единицы используют, например, так: вместо 1000 = 10³ записывают 1024 = 2¹⁰):

• • 1 Кбайт = 2¹⁰ байт = 1024 байт;
• • 1 Мбайт = 2²⁰ байт = 1024 Кбайт;
• • 1 Гбайт = 2³⁰ байт = 1024 Мбайт = 1 048 576 Кбайт и т. д.

При этом обозначение «Кбайт» принято начинать с прописной буквы в отличие от строчной буквы «к» для обозначения множителя 10³.

Напомним, что количество бит или байт, передаваемых в секунду, есть скорость передачи информации, которая определяется в бит/с, бод или байт/с. При повышенной скорости передачи она определяется в Кбит/с, Мбит/с, Гбит/с, Кбайт/с, Мбайт/с, Гбайт/с, Кбод, Мбод, Гбод и т. д.

В последние годы для оценки скорости передачи информации используют термин «битрейт» (bitrate), отражающий объем передаваемой информации в единицу времени. Битрейт принято использовать при измерении эффективной скорости передачи полезной информации. Битрейт выражают битами в секунду |бит/с|, а также производными величинами с приставками кило-, мегаи т.д.

При использовании не двоичных, а m-ичных символов максимальное количество информации, которое можно передать по каналу связи, равно log₂m [бит]. Поэтому дискретный источник сообщений может обеспечить максимальную производительность (скорость выдачи) информации [бит/с], не превышающую.

где Т_н — длительность одной посылки; m — основание цифрового кода.

При m = 2 R_H = 1 /Т_н и скорость передачи информации R_H численно равна технической скорости v. При т > 2 возможна скорость передачи информации R_u > v. Однако часто в цифровых системах связи скорость передачи информации R_H < v. Такой вариант бывает, когда не все посылки используются для передачи информации, например если часть из них служит для синхронизации или для обнаружения и исправления ошибок (при использовании корректирующего кода).

Как будет показано далее, максимальное количество информации, которое можно передать одним двоичным символом («1» или «0»), равно 1 биту. Теоретически каждый символ, поступивший на вход канала связи, вызывает появление одного символа на выходе, так что техническая скорость на входе и выходе канала одинакова.

Сжатие передаваемой информации. При передаче информации имеют место две взаимосвязанные проблемы: устранение избыточности информации и сжатие последней. Под избыточностью понимают бесполезную, лишнюю при приеме часть информации, которой все равно невозможно воспользоваться, и она фактически не нужна потребителю. Сообщения практически любого источника обладают избыточностью. Дело в том, что отдельные знаки сообщения находятся в определенной статистической связи. Так, в словах русского языка после двух подряд стоящих гласных букв более вероятна согласная, а после трех подряд согласных наверняка будет гласная. Избыточность позволяет представлять сообщения в более экономной форме. Мера возможного сокращения сообщения без потери информации за счет статистических взаимосвязей между его элементами определяется избыточностью. Понятие «избыточность» применимо не только к сообщениям или сигналам, но и к языку в целом, коду. Например, избыточность европейских языков достигает 60—80%.

Причина появления избыточности — невосприимчивость человеческих органов к некоторой части принятой информации. Так, например, телевизионное изображение может содержать до 16 тыс. цветовых оттенков одного цвета, тогда как зрение человека, чувствительное к яркости, невосприимчиво к такой громадной гамме цветов. В лучшем случае человек может различить до нескольких сотен цветовых оттенков одного цвета. Поэтому часть цветовых оттенков при передаче можно исключить без ощутимой со стороны человека потери качества цветного изображения на экране. То же можно сказать относительно передачи по каналу связи устной речи, верхнюю частоту спектра которой можно ограничить частотой 3400 Гц без потери смысла принятого сообщения. Еще очень простой пример — пусть по каналу связи следует передать сведения о значениях индуктивности I, емкости С и резонансной частоты /колебательного контура. В этом случае можно, но каналу передать только значения двух величин, например индуктивности и емкости, а резонансную частоту на приемном конце вычислить по известной формуле.

Устранение избыточности в исходной информации позволяет передавать или хранить меньшее число бит. В теории информации К. Шеннон доказал теорему (см. далее), согласно которой для источника без избыточности при R_u < С (здесь С — емкость системы связи) можно найти такой способ кодирования-декодирования, при котором возможна передача сообщений по каналу связи с помехами со сколь угодно малой ошибкой. Наличие избыточности в сообщении часто оказывается полезным и даже необходимым, так как позволяет обнаруживать и исправлять ошибки, т. е. повысить достоверность воспроизведения сообщения. Если избыточность в сообщении не используется для повышения достоверности передачи, то ее следует исключить. Для этого используют специальное статистическое кодирование, и избыточность сигнала уменьшается по отношению к избыточности сообщения.

Универсальным показателем системы связи является информационная эффективность ц, характеризующая использование пропускной способности канала r = RJC.

Своевременность передачи сообщений определяется допустимой задержкой, обусловленной преобразованием сообщений и сигнала, а также конечным временем распространения сигнала по каналу связи (особенно время распространения заметно в спутниковых системах связи). Она зависит от двух показателей: характера и протяженности канала и длительности обработки сигнала в передающем и приемном устройствах. Скорость передачи информации и ее задержка в линиях связи являются независимыми характеристиками.

Канал связи, так же как и передаваемый сигнал, характеризуют тремя параметрами: временем Г_к, в течение которого по каналу возможна передача информации, динамическим диапазоном D_K и полосой пропускания канала F_K.

Иод динамическим диапазоном канала понимают отношение допустимой мощности сигнала к мощности присутствующей в канале помехи, выраженное в децибелах.

Обобщенной характеристикой канала связи служит его емкость (объем) Необходимое условие неискаженной передачи по каналу сигналов.

Часто преобразование первичного сигнала в высокочастотный радиосигнал и преследует цель согласования передаваемого сигнала с каналом. В простейшем случае сигнал согласуют с каналом по всем трем параметрам:

При соблюдении этих условий объем передаваемого сигнала практически полностью «вписывается» в объем канала.

В ряде случаев неравенство (1.2) может выполняться и тогда, когда одно или два из неравенств (1.3) невыполнены. Это означает, что можно производить «обмен» длительности на ширину спектра или ширину спектра на динамический диапазон и г. д. Рассмотрим пример.

Пример 1.1.

Пусть записанный на магнитофон телефонный сигнал с шириной спектра 3,4 кГц необходимо передать через канал связи, полоса пропускания которого 340 Гц. Это можно осуществить, воспроизводя сигнал со скоростью, в пять раз меньшей той, с которой он был записан. При этом все значения частот исходного сигнала уменьшатся в пять раз, но и во столько же раз увеличится время передачи. Принятый сигнал также записывают на магнитофон, а затем, воспроизведя его со скоростью, в пять раз большей, можно с высокой точностью восстановить исходный сигнал. Аналогично можно передать сигнал быстрее, если полоса пропускания канала шире спектра сигнала.

Однако наибольший интерес вызывает возможность обмена динамического диапазона канала связи на полосу пропускания. Оказывается, что при внедрении импульсно-кодовых видов модуляции (см. гл. 2) можно передать сообщение с динамическим диапазоном, например, 60 дБ по каналу, в котором сигнал превышает помеху всего лишь на 30 дБ. При этом используется полоса пропускания канала в несколько раз более широкая, чем спектр сообщения.