Классификация каналов связи. Информационные модели каналов связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Классификация каналов связи. Информационные модели каналов связи

Введение

Среда распространения, или электромагнитный тракт связи, соединяющий передатчик и приемник, называется каналом. Вообще, каналы связи могут состоять из проводников, коаксиальных и оптоволоконных кабелей, а также (в случае передачи в радиодиапазоне частот) волноводов, атмосферы или открытого пространства. Для большинства наземных каналов связи пространство канала проходит через открытое пространство. Следует напомнить, что хотя некоторые атмосферные явления происходят на высоте до 100 км основная часть атмосферы лежит все же ниже 20 км. Следовательно на атмосферу приходится небольшая часть общей длины тракта связи. [1,270-271 c.]

Классификация и характеристики канала связи

Канал связи - это совокупность средств, предназначенных для передачи сигналов (сообщений).

Для анализа информационных процессов в канале связи можно использовать его обобщенную схему, приведенную на рис. 1.

На рис. 1 приняты следующие обозначения: X, Y, Z, W - сигналы, сообщения; f - помеха; ЛС - линия связи; ИИ, ПИ - источник и приемник информации; П - преобразователи (кодирование, модуляция, декодирование, демодуляция).

Существуют различные типы каналов, которые можно классифицировать по различным признакам:

По типу линий связи: проводные; кабельные; оптико-волоконные;

линии электропередачи; радиоканалы и т.д.

2. По характеру сигналов: непрерывные; дискретные; дискретно-непрерывные (сигналы на входе системы дискретные, а на выходе непрерывные, и наоборот).

3. По помехозащищенности: каналы без помех; с помехами. [6]

Каналы связи характеризуются:

1. Емкость канала определяется как произведение времени использования канала T_к, ширины спектра частот, пропускаемых каналом F_к и динамического диапазона D_к., который характеризует способность канала передавать различные уровни сигналов

V_к = T_к F_к D_к. (1)

Условие согласования сигнала с каналом:

V_c V_k; T_c T_k; F_c F_k; V_c V_k; D_c D_k.

2. Скорость передачи информации - среднее количество информации, передаваемое в единицу времени.

Пропускная способность канала связи - наибольшая теоретически достижимая скорость передачи информации при условии, что погрешность не превосходит заданной величины.

4. Избыточность - обеспечивает достоверность передаваемой информации (R = 01). [2]

Одной из задач теории информации является определение зависимости скорости передачи информации и пропускной способности канала связи от параметров канала и характеристик сигналов и помех.

Канал связи образно можно сравнивать с дорогами. Узкие дороги - малая пропускная способность, но дешево. Широкие дороги - хорошая пропускная способность, но дорого. Пропускная способность определяется самым «узким» местом.

Скорость передачи данных в значительной мере зависит от передающей среды в каналах связи, в качестве которых используются различные типы линий связи. [4]

Проводные:

1. Проводные - витая пара (что частично подавляет электромагнитное излучение других источников). Скорость передачи до 1 Мбит/с. Используется в телефонных сетях и для передачи данных.

2. Коаксиальный кабель. Скорость передачи 10-100 Мбит/с - используется в локальных сетях, кабельном телевидении и т.д.

3. Оптико-волоконная. Скорость передачи 1 Гбит/с.

В средах 1-3 затухание в дБ линейно зависит от расстояния, т.е. мощность падает по экспоненте. Поэтому через определенное расстояние необходимо ставить регенераторы (усилители). [7]

Радиолинии:

Радиоканал. Скорость передачи 100-400 Кбит/с. Использует радиочастоты до 1000 МГц. До 30 МГц за счет отражения от ионосферы возможно распространение электромагнитных волн за пределы прямой видимости. Но этот диапазон сильно зашумлен (например, любительской радиосвязью). От 30 до 1000 МГц - ионосфера прозрачна и необходима прямая видимость. Антенны устанавливаются на высоте (иногда устанавливаются регенераторы). Используются в радио и телевидении.

Микроволновые линии. Скорости передачи до 1 Гбит/с. Используют радиочастоты выше 1000 МГц. При этом необходима прямая видимость и остронаправленные параболические антенны. Расстояние между регенераторами 10-200 км. Используются для телефонной связи, телевидения и передачи данных.

Спутниковая связь. Используются микроволновые частоты, а спутник служит регенератором (причем для многих станций). Характеристики те же, что у микроволновых линий. [5]

Модели каналов

1. Дискретный канал без памяти

Дискретный канал без памяти характеризуется дискретным входным алфавитом, дискретным выходным алфавитом и набором условных вероятностей P (j|i) (1? i ? M, 1? j ? Q), где i представляет собой модулятор М-арного входного символа, j - демодулятор Q-арного выходного символа, а P (j|i) - это вероятность приема символа j при переданном символе i. Каждый выходной символ канала зависит только от соотвествующего входного символа, так что для данной входной последовательности U = u1, u2, u3, …, um, …, uN условную вероятность соответствующей выходной последовательности

Z=z1, z2, …, zm, …, zN можно записать следующим образом:

Это уравнение - условие отсутствия памяти у канала. Поскольку считается, что шум в канале без памяти влияет на каждый символ независимо от других, то условная вероятность Z является произведением вероятностей независимых элементов.

Если же канал имеет память, условную вероятность последовательности нужно выражать как совместную вероятность всех элементов последовательности.

2. Двоичный симметричный канал

Двоичный симметричный канал является частным случаем дискретного канала без памяти, входной и выходной алфавиты которого состоят из двоичных элементов. Условные вероятности имеют симметричный вид:

P (0|1) = P (1|0) = p

и

P (1|1) = P (0|0) = 1-p.

Это уравнение выражает так называемые вероятности перехода. Иными словами при передаче канального символа вероятность принятия его с ошибкой равна p, а вероятность того, что он передан без ошибки, - (1-p). Поскольку на выход демодулятора поступают дискретные элементы 0 или 1, говорят, что по отношению к каждому символу демодулятор принимает жесткое решение. Рассмотрим

наиболее распространенную схему кодирования - данные в формате BPSK плюс демодуляция по принципу жесткого решения. Вероятность появления ошибки в канальном символе находится с помощью следующей формулы:

Здесь Ec/N0 - отношение энергии канального символа к плотности шума.

Если описанная схема жестких решений применяется в системах с бинарными кодировками, то с демодулятора на декодер поступают двоичные кодовые символы или биты канала. Поскольку декодер работает на основе жестких решений, определяемых демодулятором, декодирование в двоичном симметричном канале называется также жестким декодированием.

3. Гауссов канал

Определение двоичного симметричного канала можно использовать и для каналов с не дискретным алфавитом. Пример - гауссов канал с дискретным входным алфавитом и непрерывным выходным алфавитом, лежащим в диапазоне (-?,?). Этот канал добавляет шум ко всем передаваемым символам. Поскольку шум - это гауссова случайная переменная с нулевым средним и дисперсией, результирующую функцию плотности вероятности принятой случайно величины z при условии передачи символа uk можно записать следующим образом:

для всех z, где k = 1,2, …, M.

В этом случае отсутствие памяти имеет то же значение, что и в дискретном канале без памяти. [1,364-366 c.]

Пропускная способность дискретного канала связи

Дискретный канал - канал связи, используемый для передачи дискретных сообщений.

Упрощенная схема передачи информации по дискретному каналу связи представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема дискретного канала передачи информации

канал дискретный связь пропускание

Источник дискретных сообщений (ИДС) использует для представления информации первичный алфавит {A}.Первичный кодер (ПК) кодирует знаки первичного алфавита n элементарными сигналами с алфавитом {a}. Действие помех в процессе передачи может состоять в том, что алфавит принимаемых сигналов будет отличаться от алфавита входных сигналов как их числом так и характеристиками - пусть это будет алфавит {b}, содержащий m элементарных сигналов. Несовпадение алфавитов сигналов приводит к тому, что на выходе канала появляются такие комбинации элементарных сигналов, которые не могут быть интерпретированы как коды знаков первичного алфавита. Другими словами, алфавит приемника вторичного сообщения (ПрмДС) {B} может не совпасть с алфавитом {A}. Для простоты будем считать, что декодер вторичных сигналов совмещен с приемником.

Вводя количественные характеристики процесса передачи информации, постараемся выделить из них те, которые зависят только от свойств канала, и те, которые определяются особенностями источника дискретного сообщения.

Дискретный канал считается заданным, если известны:

· время передачи одного элементарного сигнала ;

· исходный алфавит элементарных сигналов {a}, т.е. все его знаки a_i (i = 1…n, где n - число знаков алфавита {a};

· n значений вероятностей появления элементарных сигналов на входе p(a_i); эти вероятности называются априорными (поскольку они определяются не свойствами канала, а источником сообщения, т.е. являются внешними по отношению к каналу и самому факту передачи сообщения);

· алфавит сигналов на выходе канала {b}, т.е. все знаки b_j (j = 1…m, где m - число знаков алфавита {b}; в общем случае nm;

· значения условных вероятностей , каждая из которых характеризует вероятность появления на выходе канала сигнала b_j при условии, что на вход был послан сигнал a_i; поскольку эти вероятности определяются свойствами самого канала передачи, они называются апостериорными; очевидно, количество таких вероятностей равно n·m:

·

Очевидно также, что для каждой строки выполняется условие нормировки:

Как мы увидим в дальнейшем, все остальные характеристики дискретного канала могут быть определены через перечисленные параметры.

Дискретный канал называется однородным, если для любой пары i и j условная вероятность  с течением времени не изменяется (т.е. влияние помех все время одинаково).

Дискретный канал называется каналом без памяти, если p(a_i) и  не зависят от места знака в первичном сообщении (т.е. отсутствуют корреляции знаков).

Будем считать, что для передачи используются колебательные или волновые процессы - с практической точки зрения такие каналы представляют наибольший интерес (в частности, к ним относятся компьютерные линии связи).

Введем ряд величин, характеризующих передачу информации по каналу.

Ширина полосы пропускания