1.7. Основные характеристики системы связи

При оценке работы системы связи необходимо, прежде всего, учесть, какую точность передачи сообщения обеспечивает система и с какой скоростью передается информация. Первое определяет качество передачи, второе - количество.

В реальной системе связи качество передачи зависит от степени искажений принятого сообщения. Эти искажения зависят от свойств и технического состояния системы, а также от интенсивности и характера помех. В правильно спроектированной и технически исправной системе связи искажения сообщений обусловлены лишь воздействием помех. В этом случае качество передачи полностью определяется помехоустойчивостью системы.

Под помехоустойчивостью обычно понимают способность системы противостоять вредному влиянию помех на передачу сообщений. Так как действие помех проявляется в том, что принятое- сообщение отличается от переданного, то количественно помехоустойчивость при заданной помехе можно характеризовать степенью соответствия принятого сообщения переданному. Назовем эту величину общим термином - верность. Количественную меру верности приходится выбирать по-разному, в зависимости от характера сообщения и требований получателя.

Пусть сообщение представляет собой дискретную последовательность элементов из некоторого конечного множества. Влияние помехи на передачу такого сообщения проявляется в том, что вместо фактически переданного элемента может быть принят какой-либо другой, такое событие называется ошибкой. В качестве количественной меры верности можно взять вероятность ошибки р или любую монотонную функцию этой вероятности

При передаче непрерывных сообщений степенью соответствия принятого сообщения b̂(t) переданному b (t) может служить некоторая величина ε, представляющая собой "расстояние" между b̂ и b. Часто принимают критерий квадратичного отклонения

Количественную меру верности можно также определить как вероятность того, что уклонение е не превзойдет некоторой заранее заданной величины во:

Как будет показано в последующих главах, верность передачи зависит от отношения сигнала к помехе^*. При данной интенсивности помехи вероятность ошибки тем меньше, чем сильнее различаются между собой сигналы, соответствующие разным сообщениям. Задача состоит в том, чтобы выбрать для передачи сигналы с большим различием. Наконец, верность передачи зависит и от способа приема. Необходимо выбрать такой способ приема, который наилучшим образом реализует различие между сигналами при данном отношении сигнала к помехе.

Обратим внимание на существенное различие между аналоговыми и дискретными системами передачи сообщений. В аналоговых системах всякое, даже сколь угодно малое мешающее воздействие на сигнал, вызывающее искажение модулируемого параметра, всегда влечет за собой внесение соответствующей ошибки в сообщение. Поэтому абсолютно точное восстановление переданного сообщения невозможно. В дискретных системах ошибка при передаче сообщений возникает только тогда, когда сигнал опознается неправильно, а это происходит лишь при искажениях, превышающих некоторый порог.

^* (Точное определение этого отношения будет дано в гл. 4, 6, 7.)

В теории помехоустойчивости, разработанной В. А. Котельниковым, показано, что при выбранном критерии и заданном множестве сигналов, принимаемых при аддитивном белом шуме, существует предельная (потенциальная) помехоустойчивость, которая ни при каком способе приема не может быть превзойдена. Приемное устройство, реализующее потенциальную помехоустойчивость, называется оптимальным (наилучшим) по данному критерию.

Наряду с верностью важнейшим показателем работы системы связи является скорость передачи. В системах передачи дискретных сообщений скорость измеряется числом передаваемых двоичных символов в единицу времени.

Максимальное количество информации, которое может быть передано двоичным символом, получило название бит. Об этом подробно говорится в гл. 4. Там же будет показано, что при использовании не двоичных, а m-ичных символов, количество информации, которое может переносить такой символ, составляет log₂ m бит. Поэтому сшрость передачи информации, бит/с, в дискретном канале

где Т - длительность посылки; m - основание кода. При m = 2 R = 1/T бит/с, т. е. скорость передачи R численно равна технической скорости v, Бод. При m>2 возможно, что R>v. Однако нередко в дискретных системах связи R<v. Это бывает, когда не все посылки используются для передачи информации, например, если часть из них служит для синхронизации или обнаружения и исправления ошибок (см. гл. 5).

Максимальную скорость передачи R_max, допускаемую данной системой связи при условии, что канал не вносит ошибок и искажений, принято называть пропускной способностью системы. Пропускную способность системы передачи аналоговых сообщений оценивают количеством одновременно передаваемых телефонных разговоров, радиовещательных или телевизионных программ и т. п.

Пропускную способность системы R_max не следует путать с пропускной способностью канала связи С. Точное определение пропускной способности канала будет дано в гл. 4. Пока лишь отметим, что она характеризует максимальное количество информации, которое может быть передано по данному каналу в единицу времени.

Пропускная способность системы связи - понятие техническое, характеризующее используемую аппаратуру, тогда как пропускная способность канала является фундаментальным теоретическим понятием, определяющим потенциальные возможности системы связи, использующей данный канал, если на сложность и стоимость аппаратуры не наложено никаких ограничений и к тому же допускается любая задержка переданных сообщений.

Под задержкой понимается максимальное время, прошедшее между моментом подачи сообщения от источника на вход передающего устройства и моментом выдачи восстановленного сообщения приемным устройством. Задержка является также одной из важных характеристик системы связи. Она зависит, во-первых, от характера и протяженности канала, во-вторых, от длительности обработки сигнала в передающем и приемном устройствах. Последняя определяется, главным образом, количеством информации, объединяемой в одну кодовую последовательность, Действительно, пока источник не выдаст всей этой информации, процесс кодирования не может начаться, а пока вся кодовая комбинация не будет принята, не может начаться процесс декодирования. Скорость передачи и задержка являются независимыми характеристиками, практически не связанными друг с другом.

Существуют и многие другие параметры, характеризующие с различных точек зрения качества системы связи. К ним, в частности, относятся скрытность связи, надежность системы, габаритные размеры и масса аппаратуры, стоимость оборудования, эксплуатационные расходы и т. п. Эти характеристики в курсе "Теория передачи сигналов" не рассматриваются. Им посвящены отдельные разделы других специальных курсов.

Вопросы к главе 1

1. В чем разница между понятиями информация, сообщение, сигнал? Что такое первичный сигнал?
2. Поясните принцип передачи непрерывных сообщений на примере телефонной связи.
3. Изобразите структурную схему системы передачи дискретных сообщений и выделите в ней кодек, модем, дискретный канал, непрерывный канал.
4. В чем различие и единство процессов кодирования и модуляции? Какова роль этих процессов в системах связи?
5. Вспомните зависимость между технической скоростью передачи v и шириной спектра первичного сигнала Fс.
6. Стартстопный телеграфный аппарат передает одну букву семью посылками: одной пусковой (20 мс), пятью кодовыми (20 мс каждая) и одной стоповой (30 мс). Определите техническую скорость передачи v в бодах и скорость передачи информации R в битах на секунду.
7. По аналогии с ОФМ предложите принцип относительной частотной модуляции (ОЧМ).
8. Как Вы представляете себе AM, ФМ, ФМ и ОФМ при основании кода m>2 (многопозиционные виды модуляции)?
9. Сигнал пропущен через усилитель, увеличивающий его мощность в 10 раз и не вносящий искажений. Как изменится его динамический диапазон?
10. Сигнал угловой модуляции записывается в виде S(t) = 10 cos(2×10⁶π + 10 cos 2000πt). Найти мощность модулированного сигнала, максимальные девиации частоты и фазы, приблизительную ширину спектра сигнала. Можно ли определить, какой сигнал здесь рассматривается: ЧМ или ФМ?
11. В чем существенное отличие помех от искажений? Поясните это на примерах.
12. В чем проявляется единство и противоположность сигналов и помех?
13. Приведите примеры мультипликативных помех в радио и проводных каналах. Объясните причины их возникновения.
14. Какие физические характеристики сигнала определяют его объем?
15. Приведите примеры преобразований сигнала без изменения его объема,.
16. Как осуществляется демодуляция и декодирование в системах передачи? дискретных сообщений?
17. Что называется решающей схемой? Приведите примеры простейших, решающих устройств.
18. Поясните принцип дискретизации и кодирования непрерывных сигналов..
19. Что такое верность передачи и как она определяется количественно?