Сущность процесса селекции

Зав. Кафедры 402 профессор Мазепа Роман Богданович

Системы и сети связи.

(Телекоммуникационные системы и сети).

 

Если пропускная способность канала превышает производительность источника, то в этом случае существуют такие методы кодирования и декодирования, которые позволяют сколь угодно близко приблизить реальную скорость передачи информации к пропускной способности.

Шеннон показал, что для того чтобы приближать реальную скорость передачи информации к пропускной способности необходимо согласовать статистические свойства источника со статистическими свойствами канала передачи телекоммуникационной системы и статистические свойства потребителя со статистическими свойствами канала передачи.

Статистические свойства источника определяются физическими характеристиками источника. На них мы повлиять не в состоянии. Статистические свойства потребителя определяются свойствами потребителя. На них также повлиять не можем.

Статистические же свойства канала передачи определяются статистическими характеристиками действующих в канале передачи помехи (свойствами помех) и свойствами используемых сигналов, а также способом взаимодействия сигналов с помехами. Можем повлиять на форму/характеристики сигнала. Влияние на форму сигнала оказывают, в смысле согласования статистических свойств, кодер и декодер источника. Кодер и декодер источника приводят сигнал к такому виду, чтобы они были согласованы и со свойствами источника, и со свойствами потребителя, и с характеристиками помех.

Вторая позиция, которая удалась Шеннону. Он доказал, что если пропускная способность канала передачи телекоммуникационной системы превышает производительность источника, то в этом случае существуют такие методы кодирования и декодирования, которые позволяют вероятность ошибки сделать малой (сколь угодно – никогда не будет возможно достичь предела). Т.о. для того чтобы уменьшать ошибку, нужно в процессе кодирования канала необходимо совместно обработать большое количество символом цифрового сигнала. Чем больше символов обрабатываем, тем меньшей вероятности ошибки можем достичь.

Большое количество элементов надо где-то накопить – объём памяти.

Для совместной обработки большого количества элементов – увеличивается сложность алгоритма кодирования.

Увеличивается задержка передачи (нужно накопить определённое количество символов и их совместно обработать) – нарушается реальный масштаб времени.

При стремлении ошибки к нулю сложность кодера и декодера канала стремится к бесконечности

 

Если пропускная способность канала меньше производительности источника, то нет таких методов кодирования/декодирования, которые позволяют уменьшать сколь угодно ошибку.

Если есть труба определённого диаметра и в неё поставляете жидкость или газ, то если количество жидкости/газа поставляемое в трубу превышает пропускные способности трубы, то часть жидкости будет пропадать.

Также и часть информации будет теряться – точность неизбежно будет падать.

Т.о. Шеннон обосновал необходимость в телекоммуникационной системе двух кодеров – кодера источника и кодера канала. Функции этих кодеров совершенно различны:

– кодер источника (КИ) призван максимально удалить два основных вида избыточности из первичного сигнала (статистическую и семантическую), что происходит в процессе цифрового представления первичного сигнала;

– кодер канала (КК) добавляет избыточность в цифровой сигнал, таким образом, чтобы сформировать функциональные зависимости между выходными символами для обнаружения и исправления ошибок.

Свойства естественной избыточности в первичном сигнале нам не известны, поэтому из очень трудно использовать для борьбы с помехами.

Свойства избыточности вводимой в КК известны, поэтому их можно использовать, проверяя функциональные зависимости и составляя из них уравнения в декодере канала (ДКК), можем обнаружить и исправить ошибку.

Линейные блочные систематические коды.

 

Существует огромное количество кодирования/декодирования каналов.

Линейные коды – процедура кодирования/декодирования линейна, в результате кодирования формируются линейные зависимости между символами.

Блочные коды – процедура кодирования/декодирования осуществляется блоками.

Систематические коды – коды, в которых после кодирования канала остаются без изменения входные символы, к ним просто добавляются избыточные.

 

Кодер канала (КК).

На входе – цифровое представление первичного сигнала.

На выходе – избыточное цифровое представление первичного сигнала

Декодер канал (ДКК).

На входе – избыточное цифровое представление первичного сигнала с возможными ошибками.

На выходе – цифровое представление первичного сигнала с возможными ошибками.

Обозначим символы входные – цифрового сигнала буквой а.

Символы выходные обозначим буквой b.

 

На вход КК поступает блок , состоящий из Ки двоичных символов.

На выходе КК получаем блок , равные , и добавляются избыточные символы , итого в блоке символов Ки + r = n. Такие блоки называют nК-блоки (общее число символов n, информационных К).

 

Избыточные символы и информационные символы должны быть функционально связаны.

Если кодер канал линейный:

– коэффициент (от него зависят свойства кода).

Эти линейные зависимости для обнаружения и исправления ошибок использует декодер канала.

На вход ДКК получили . Декодер должен проверить сохранились ли в этой последовательности функциональные зависимости. Он берёт полученные информационные символы и формирует то, что должно было бы получиться, если бы функциональные зависимости сохранились:

 

Далее надо проверить есть или нет ошибки – нужно сравнить то, что получилось в результате преобразования ( ) с тем, что реально принято ( ):

Эту суммы называют символом синдрома ошибки.

Таких символов синдрома будет столько, сколько избыточных символов:

Если ошибка не возникла в процессе передачи блока или мощности кода не достаточно для обнаружения ошибки, то все символы будут нулевыми.

Если же ошибка возникла, то какие-то из этих символов будут отличны от нуля ("1").

 

Каждому варианту синдрома ошибки будет соответствовать определённый набор вариантов ошибки. При правильном построении кода каждому варианту синдрома ошибки будет соответствовать набор из однократной ошибки (искажается один символ в блоке), двукратной (искажаются два символа в блоке, причём не важно информационные или избыточные), трёхкратной и т.д.

Если в канале передачи возникают независимые ошибки, и если вероятность однократной ошибки будет , то вероятность многократной ошибки будет , если ошибка l-кратная, т.е. ошибки более высоких кратностей будут возникать с существенно меньшей вероятностью, чем ошибки меньших кратностей. Поэтому декодер канала при исправлении ошибки руководствуется следующим принципом: определив вид синдрома ошибки, декодер канала (ДКК) исправляет наиболее вероятные ошибки, соответствующие возможностям/корректирующим способностям кода (если код ориентирован на исправление однократные ошибки, то исправляет однократную; если ориентирован на двукратную – то исправляет и однократные, и двукратные ошибки).

 

Как правило, мощности сигнала, которая получается на выходе модулятора несущего сигнала (МН) не хватает для обеспечения передачи информации на большие расстояния. Поэтому принимаются следующие дополнительные меры:

– в передающей части телекоммуникационной системы радиосигнал, получаемый на выходе модулятора усиливается усилителем мощности передаваемого сигнала, который мы будем именовать передатчиком (ПДК),

– в приёмной части системы осуществляется увеличение мощности до демодуляции – усилитель мощности принятого сигнала будем именовать линейной частью приёмника (ЛЧП)

Функциональная схема системы с учётом указанных мер

 

С точки зрения построения системы будем считать, что усилитель мощности (ПДК) линеен, т.е. не вносит искажений в сигнал, не изменяет форму сигнала. Увеличивается только мощность.

 

 

Линейная часть приёмника (ЛЧП) также линейна – не вносит искажений в принятую смесь сигнала с помехой.

Линейная часть приёмника – часть супергетеродинного приёмника, в которой содержатся усилитель высокой частоты (УВЧ), преобразователь частоты (ПЧ) и усилитель промежуточной частоты (УПЧ). Преобразователь частоты это нелинейное устройство, но ЛЧП линейна по отношению к цифровому представлению сигнала, не искажает этот сигнал. Она [лчп] нелинейно преобразовывает принятую смесь радиосигнала с помехой. Стараются её [лчп] строить таким образом, чтобы эта нелинейность не отображалась на цифровом представлении первичного сигнала.

45.40

Итак, ПДК и ЛЧП – линейные усилители радиосигналов, причём ПДК полностью линейное устройство по отношению к радиосигналу, а ЛЧП линейно только по отношению к информационной составляющей радиосигнала.

 

Кроме неприятностей, которые создают различные помехи, в процессе передачи информации могут возникать ещё дополнительные неприятности – связанные с взаимным перемещением передающей и приёмной части системы – возникает эффект Доплера, который приводит к тому, что изменяются фазовые, частотные и временные соотношения в сигнале. Фазовые и частотные приводят к изменению частоты несущего сигнала: при сближении – увеличивается, при удалении – уменьшается. При увеличении частоты – длительность импульса уменьшается, уменьшение – увеличивается.

Эти явления, если мы желаем получить высокую точность передачи цифрового сигнала, обязаны как бы учитывать, потому что если не будем учитывать и не будем знать точно характеристики принимаемого сигнала – чем менее точно мы знаем характеристики принимаемого сигнала, тем с меньшей точностью мы воспроизведём его на фоне помех.

Минимум, что нужно знать о сигнале – частота несущего сигнала.

Для точного воспроизведения надо знать частоту несущего сигнала с точностью до фазы, границы символа, границы кодового слова (содержательно самостоятельного блока символов – либо слово языка, либо одно из значений первичного сигнала).

Задачи определения характеристик сигналов на входе приёмника с учётов воздействия эффекта Доплера решает система синхронизации телекоммуникационной системы/совокупность устройств синхронизации телекоммуникационной системы.

 

Передатчик и приёмник телекоммуникационной системы включаются/начинают работать независимо друг от друга – в случайные моменты времени. Тогда расположение границ символов, кодовых слов не известно.

Восстановление границ символов, кодовых слов осуществляется помощью совокупности устройств синхронизации.

 

В современных цифровых системах используют совокупность из 4-х комплектов устройств синхронизации:

1. Устройство синхронизации по спектральной компоненте несущего сигнала
2. Устройство символьной синхронизации, определяющей границы символов
3. Устройство словной синхронизации – определяются границы кодовых слов
4. Устройство кадровой/псевдокадровой (пакетной) синхронизации. Этот комплект устройств позволяет в приёмнике и передаваемых пакетов кодовых слов выделить кодовые слова отдельных источников/разделить пакеты кодовых слов между источниками.

 

Устройство синхронизации по спектральной компоненте несущего сигнала.

В цифровых системах демодулятор несущего сигнала (ДН) обычно имеет следующую структуру –

состоит из демодулятора огибающей (ДО) и регенератора символов (РС).

 

Если слегка идеализировать, то на входе модулятора несущего сигнала (МН) имеем сигнал вида:

 

 

В результате воздействия помех на выходе демодулятора огибающей (ДО) получаем другой сигнал – не знаем начала отсчёта:

 

 

Собственно сигнал получаем на выходе регенератора символов (РС).

В сигнале огибающей нет определённых границ символов, а на выходе регенератора символов сигнал с чётко выраженными границами символов.

Чтобы сигнал огибающей был с минимальными искажениями в ДО необходимо использовать в качестве опорного сигнала спектральную компоненту несущего сигнала – это т.н. когерентный приём или синхронный приём, который использует информацию о характеристиках спектральной компоненты несущего сигнала т.е. по существу в ДО происходит сравнение принятой смеси сигнала с помехой (как в оптимальном приёмнике) с образцом несущего сигнала. Если образец несущего сигнала известен достаточно хорошо, то в результате сравнения получите хорошее воспроизведение сигнала огибающей. Эта спектральная компонента несущего сигнала выделяется селектором спектральной компоненты несущего сигнала (ССКНС) из спектра принятой смеси сигнала с помехой. Формально можем считать, что в состав комплекта устройств синхронизации по спектральной компоненте несущего сигнала входят следующие устройства:

в передающей части – генератор несущей – генерируется спектральная компонента несущего сигнала

в приёмной части – селектор спектральной компоненты несущего сигнала (ССКНС).

 

Сущность процесса селекции.

Спектр радиосигнала широкий. Если условно считать, что радиосигнал представляет собой периодическую последовательность радиоимпульсов, то тогда спектр радиосигнала будет иметь следующий вид (при амплитудной модуляции несущего сигнала):

 

Из широкого спектра ССКНС должен выделить спектральную компоненту с точностью до фазы. Частотная характеристика на самом деле очень узкая – практически дельта функция. Причём в силу эффект Доплера весь спектр будет двигаться, следовательно селектор должен быть следящим – должен отслеживать изменения спектральной компоненты несущего частоты.