4.5. Пропускная способность канала связи

В любой системе связи через канал передается информация. Ее скорость передачи была определена в § 4.2. Как видно из (4.25), эта скорость зависит не только от самого канала, но и от свойств подаваемого на его вход сигнала и поэтому не может характеризовать канал как средство передачи информации. Попытаемся найти способ оценки способности канала передавать информацию. Рассмотрим вначале дискретный канал, через который передаются в единицу времени v символов из алфавита объемом m. При передаче каждого символа в среднем по каналу проходит количество информации

где А и В - случайные символы на входе и выходе канала. Из четырех фигурирующих здесь энтропий H(A) - собственная информация передаваемого символа определяется источником дискретного сигнала^* и не зависит от свойств канала. Остальные три энтропии в общем случае зависят как от источника сигнала, так и от канала.

^* (Источником дискретного сигнала в системе связи (см. рис. 1.5) является совокупность источника сообщения и кодера.)

Представим себе, что на вход канала можно подавать символы от разных источников, характеризуемых различными распределениями вероятностей Р(А) (но, конечно, при тех же значениях m и v). Для каждого такого источника количество информации, переданной по каналу, принимает свое значение. Максимальное количество переданной информации, взятое по всевозможным источникам входного сигнала, характеризует сам канал и называется пропускной способностью канала в расчете на один символ

где максимизация^* производится по всем многомерным распределениям вероятностей Р(A). Можно также определить пропускную способность С канала в расчете на единицу времени (например, секунду):

^* (Если такого максимума не существует (что может быть при бесконечном числе возможных источников), то пропускная способность определяется как наименьшая верхняя грань sup I(А, В), т. е. такая величина, к которой I(А, B) может сколь угодно приблизиться, но не может ее превзойти.)

Равенство (4.37) следует из аддитивности энтропии. В дальнейшем везде, где это особо не оговорено, под пропускной способностью понимать будем пропускную способность в расчете на секунду.

В качестве примера вычислим пропускную способность симметричного канала без памяти, для которого переходные вероятности заданы (3.36). Согласно (4.36)

Величина

в данном случае легко вычисляется, поскольку условная (переходная) вероятность P(b_j|a_i) принимает только два значения: p/(m-1), если b_j≠a_i и 1-р, если b_j = a_i. Первое из этих значений возникает с вероятностью р, а второе - с вероятностью 1-р. К тому же, поскольку рассматривается канал без памяти, результаты приема отдельных символов независимы друг от друга. Поэтому

Следовательно, Н(В|А) не зависит от распределения вероятности в ансамбле А, а определяется только переходными вероятностями канала. Это свойство сохраняется для всех моделей канала с аддитивным шумом.

Подставив (4.38) в (4.37), получим

Поскольку в правой части только член Н (В) зависит от распределения вероятностей Р(А), то максимизировать необходимо его. Максимальное значение Н (В) согласно (4.6) равно log m и реализуется оно тогда, когда все принятые символы b_j равновероятны и независимы друг от друга. Легко убедиться, что это условие удовлетворяется, если входные символы равновероятны и независимы, поскольку в этом случае

При этом Н(В) = log m и

Отсюда пропускная способность в расчете на единицу времени

Для двоичного симметричного канала (m = 2) пропускная способность в двоичных единицах в единицу времени

Зависимость C/v от р согласно (4.42) показана на рис. 4.3.

При р = 1/2 пропускная способность двоичного канала С = 0, поскольку при такой вероятности ошибки последовательность выходных двоичных символов можно получить совсем не передавая сигналы по каналу, а выбирая их наугад (например, по результатам бросания монеты), т. е. при р=1/2 последовательности на выходе и входе канала независимы. Случай С = 0 называют обрывом канала. То, что пропускная способность при р = 1 в двоичном канале такая же, как при р=0 (канал без шумов), объясняется тем, что при р = 1 достаточно все выходные символы инвертировать (т. е. заменить 0 на 1 и 1 на 0), чтобы правильно восстановить входной сигнал.

Рис. 4.3. Зависимость пропускной способности двоичного симметричного канала без памяти от вероятности ошибочного приема символа

Пропускная способность непрерывного к а н а- л а вычисляется аналогично. Пусть, например, канал имеет ограниченную полосу пропускания шириной F. Тогда сигналы U(t) и Z{t) соответственно на входе и выходе канала по теореме Котельникова определяются своими отсчетами, взятыми через интервал 1/(2F), и поэтому информация, проходящая по каналу за некоторое время Т, равна сумме количества информации, переданной за каждый такой отсчет ^*. Пропускная способность канала на один такой отсчет

Здесь U и Z - случайные величины - сечения процессов U(t) и Z(t) на входе и выходе канала соответственно и максимум берется по всем допустимым входным сигналам, т. е. по всем распределениям U.

^* (Можно вместо ряда Котельникова использовать разложение сигналов по- любому ортогональному базису и рассмотреть количество передаваемой информации на каждый член ряда.)

Пропускная способность С определяется как сумма значений Сотсч, взятая по всем отсчетам за секунду. При этом, разумеется, дифференциальные энтропии в (4.43) должны вычисляться с учетом вероятностных связей между отсчетами.

Вычислим, например, пропускную способность непрерывного канала без памяти с аддитивным белым гауссовским шумом, имеющим полосу пропускания шириной F, если средняя мощность сигнала (дисперсия U) не превышает заданной величины Р_с. Мощность (дисперсию) шума в полосе F обозначим Р_ш. Отсчеты входного и выходного сигналов, а также шума N связаны равенством

Так как N имеет нормальное распределение с нулевым математическим ожиданием, то и условная плотность вероятности w(z|u) при фиксированном и будет также нормальной - с математическим ожиданием и и дисперсией Р_ш.

Найдем пропускную способность на один отсчет (4.43):

Согласно (4.34) дифференциальная энтропия h(Z|U) нормального распределения w(Z|U) не зависит от математического ожидания и равна

Поэтому для нахождения С_отсч следует найти такую плотность распределения w(U), при которой максимизируется h(Z). Из (4.44) учитывая, что U и N - независимые случайные величины, имеем для дисперсий:

Таким образом, дисперсия Z фиксирована, так как Р_с и Р_ш заданы. Как было отмечено (см. стр. 114), при фиксированной дисперсии максимальная дифференциальная энтропия обеспечивается нормальным распределением. Из (4.44) видно, что при нормальном одномерном распределении U распределение Z будет также нормальным и, следовательно, обеспечивается максимум дифференциальной энтропии (4.34):

откуда

Переходя к пропускной способности С в расчете на секунду, заметим, что информация, переданная за несколько отсчетов, максимальна в том случае, когда отсчеты сигналов независимы. Этого можно достичь, если сигнал U(t) выбрать так, чтобы его спектральная плотность была равномерной в полосе F. Как было показано в § 2.2 [см. (2.48)], отсчеты, разделенные интервалами, кратными 1/(2F), взаимно некоррелированы, а для гауссовских величин некоррелированность означает независимость.

Поэтому пропускную способность С (за секунду) можно найти, сложив пропускные способности (4.46) для 2F независимых отсчетов:

Она реализуется, если U(t) - гауссовский процесс с равномерной спектральной плотностью в полосе частот F (квазибелый шум).

Из (4.47) видно, что если бы мощность сигнала Р_с не была ограничена, то пропускная способность была бы сколь угодно большой. Пропускная способность равна нулю, если отношение сигнал-шум Р_с/Р_ш в канале равно нулю. С ростом этого отношения пропускная способность увеличивается неограниченно, однако медленно, вследствие логарифмической зависимости.

Соотношение (4.47) часто называют формулой Шеннона. Эта формула имеет важное значение в теории информации, так как определяет зависимость пропускной способности рассматриваемого непрерывного канала от таких его технических характеристик, как ширина полосы пропускания и отношение сигнал-шум. Формула Шеннона указывает на возможность обмена полосы пропускания на мощность сигнала, и наоборот. Однако поскольку С зависит от F линейно, а от Р_с/Р_ш - по логарифмическому закону, компенсировать возможное сокращение полосы пропускания увеличением мощности сигнала, как правило, не выгодно. Более эффективным является обратный обмен мощности сигнала на полосу пропускания.

Выясним, как меняется пропускная способность гауссовского канала с изменением полосы пропускания. Для этого выразим мощность шума в канале через его одностороннюю спектральную плотность N₀. Имеем P_ш = N₀F; поэтому

При увеличении F пропускная способность С, бит/с, сначала быстро возрастает, а затем асимптотически стремится к пределу:

Результат (4.49) получается очень просто, если учесть, что при |ε|<<1 ln(1+ε)≈ε. Зависимость С от F показана на рис. 4.4, Как следует из (4.49), для передачи заданного количества информации по каналу с шумами отношение энергии сигнала к спектральной плотности шума h² = P_cT/N₀ должно превышать некоторую пороговую величину. В самом деле, если на передачу сообщения затрачено время T, то среднее количество переданной информации TI(U, Z)<TC_∞, так как пропускная способность канала при любой полосе F не может превысить предельное значение (4.49). Таким образом, TI(U, Z)(P_cT/N₀)log e и, следовательно, для передачи 1 бита информации необходима энергия сигнала P_cT > N₀ log е = N₀ ln2 ≈ 0,693N₀.

Максимальный объем информации, которую можно в среднем передать по непрерывному каналу за время T_k, V = T_kC. Для гауссовского канала

Рис. 4.4. Зависимость нормированной пропускной способности гауссовского канала от его полосы пропускания

Рис. 4.5. Зависимость пропускной способности от отношения сигнал-шум для гауссовского канала с постоянными параметрами (1) и с рэлеевскими замираниями (2)

Заметим, что при Р_c/P_ш>>1 выражение (4.50) совпадает с характеристикой (1.2), названной в § 1.2 емкостью (объемом) канала.

Следует подчеркнуть, что формула Шеннона (4.47) справедлива только для канала с постоянными параметрами и аддитивным гауссовским белым (или квазибелым) шумом. Если распределение аддитивной помехи не является нормальным или же ее спектр неравномерен в полосе пропускания канала, то его пропускная способность больше, чем вычисленная по формуле (4.47). Мультипликативные помехи (замирания сигнала) обычно снижают пропускную способность канала.

На рис. 4.5 показаны зависимости С/F от среднего отношения Р_с/Р_ш для канала с постоянными параметрами (1) и канала с рэлеевскими замираниями (2). Из анализа кривых следует, что медленные рэлеевские замирания уменьшают пропускную способность канала не более чем на 17%.