1. Эффективность передачи информации

1. Особенности оценки эффективности

Основной особенностью современного этапа развития теории информации и передачи сигналов является использование системного подхода к оценке эффек­тивности передачи информации. При этом подходе учитываются все факторы, влияющие на достижение цели передачи информации и выполнение системой или сетью связи основных задач. Цель и задачи, решаемые системой, рассматри­вают с учетом ее влияния на другие системы, на окружающую среду и, особен­но, на систему более высокого иерархического уровня. Можно определить одну из двух главных целей функционирования систем и сетей связи: обеспечение максимального количества передачи информации при фиксированных затратах и обеспечение требуемого качества передачи информации при минимальных за­тратах. И в том и в другом случае необходимо произвести оценку технико­экономической эффективности системы с учетом ее надежности и других факто­ров, влияющих на качество передачи информации.

При выборе комплексного показателя технико-экономической эффективности системы исходят из того, что он должен иметь прямую связь с ее целевым на­значением, объективно характеризовать все основные свойства, быть чувстви­тельным к изменению определяющих параметров системы и наряду с этим должен быть достаточно простым, чтобы им можно было пользоваться на практике. Трудность заключается еще и в том, что не все цели системы можно адекватно отразить в количественной форме. Например, трудно измерить сте­пень удовлетворения потребности людей в общении с помощью средств связи.

Разработка и исследование комплексных и интегральных показателей каче­ства передачи информации — одна из важных и актуальных проблем. Ей уде­ляется большое внимание, и в этом направлении уже получены первые результа­ты. Частные показатели технической эффективности, которые нашли практиче­ское применение в задачах оценки эффективности систем и сетей связи, рассма­триваются в следующих параграфах.

2. Эффективность передачи дискретных сообщений

Для оценки эффективности передачи дискретных сообщений применяют коэффициент использования мощности сигнала

[бит] (1)

и коэффициент использования полосы частот канала

[бит] (2)

где R – скорость передачи информации; – мощность сигнала; – спектральная плотность помехи.

Учтем, что , , тогда

(3)

Следовательно, показатели технической эффективности и связаны про­стым соотношением (3), что позволяет пользоваться тем из ннх, который более подходит для оценки качества системы конкретного типа. Например, для оценки эффсктмшюсти радиосистем чаще применяют показатель а для оценки эффективности проводных систем связи — yF.

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Д.В. Журавлёв

ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАДИОСИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Часть 2

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2016

УДК 681.3

Журавлёв Д.В. Основы теории радиосистем передачи информации : учеб. пособие [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые, граф. данные (3,5 Мб) / Д.В. Журавлёв. – Воронеж : ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2016. Ч.2. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Систем. требования: ПК 500 и выше ; 256 Мб ОЗУ ; Windows XP ; MS Word 2007 или более поздняя версия ; 1024x768 ; CD-ROM ; мышь. – Загл. с экрана.

Учебное пособие рассматривает составные части и вопросы построения систем передачи информации. Приведены основные виды систем передачи информации. Отдельно рассмотрены аналоговые и цифровые системы. Описаны уровни, структура и особенности стандарта широкополосного доступа IEEE 802.16-2004.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по специальности 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы», дисциплине «Основы теории радиосистем передачи информации».

Табл. 14. Ил. 67. Библиогр.: 19 назв.

Рецензенты: кафедра радиотехники и электроники Воронежского института МВД России (начальник кафедры д-р техн. наук, доц. А.Н. Голубинский);

канд. техн. наук, доц. М.И. Бочаров

© Журавлёв Д.В., 2016

© Оформление. ФГБОУ ВО “Воронежский государственный технический университет”, 2016

ВВЕДЕНИЕ

В последнее десятилетие XX века беспроводные цифровые коммуникации всту­пили в фазу бурного развития, которая продолжается и в настоящее время. Толч­ком к этому послужило, с одной стороны, начавшееся интенсивное развитие гло­бальной сети Интернет, с другой — внедрение новых, прогрессивных методов кодирования, модуляции и передачи информации. В настоящее время очевидно, что беспроводные широкополосные сети практически находятся вне конкурен­ции по оперативности развертывания, мобильности, цене и широте возможных приложений, во многих случаях представляя собой единственное экономически оправданное решение.

В связи с этим весьма актуальной является дальнейшая разработка фунда­ментальной теории в области передачи информации, методов проектирования, алгоритмов и отечественных программно-технических средств комплектации ши­рокополосных беспроводных сетей (высокоскоростных радиомодемов и управляе­мых антенных устройств).

В учебном пособии изложены теоретические основы передачи информации, методы кодирования и модуляции в беспро­водных сетях. Описаны новые методы и модели оценки производительности и проектирования локальных и региональных беспроводных сетей под управлени­ем протоколов IEEE 802.11(16).

Дано описание принципов построения, логической и физической структуры беспроводных сетей передачи информации, включая персональные сети (стан­дарты Bluetooth, IEEE 802.15.1 (3, За, 4)), локальные беспроводные сети (стан­дарты IEEE 802.11 и DECT), региональные сети стандарта широкополосного ве­щания IEEE 802.16, сотовые телефонные и транкинговые сети, системы циф­рового теле- и радиовещания, спутниковые системы и оптические атмосферные каналы связи.

По физическому смыслу — это то удельное количество информации, которое можно передать по каналу при заданном отношении сигнал/шум или при фиксированной полосе канала.

Предельные оценки и можно получить, используя в соотношениях (1) и (3) выражение для пропускной способности системы вместо R; например, для двоичных систем, получим

(4)

(5)

где ; T – длительность сигнала.

Следовательно, предельное значение коэффициента использования мощности определяется вероятностью ошибки р0 и отношением сигнал/шум. С ростом р0 и h1 величина р0 уменьшается. Предельное значение коэффициента использования полосы канала падает с ростом р0 и базы сигнала.

Для сравнения на рис. 1 доказаны графики зависимостей (5) (сплошные кри­вые) и (4) (штриховые кривые) от р0 при фазовой телеграфии, частотной телеграфии и амплитудной манипуляции. Как и следовало ожидать, мощность наилучшим образом ис­пользуется в системах ФТ, а полоса в систе­мах ФТ и АМн. Минимальная ширина спектра высокочастотных сигналов при ФТ и АМн рав­на 2/Г, а ЧТ сигналов — 4/T, поэтому кривые ФТ и АМн для сливаются. Анализ графиков показывает, что повышение коэффициента использования мощности вызывает снижение коэффициента использования полосы частот.

Рис. 10.1 наглядно иллюстрирует характер «об­мена» мощности сигнала на полосу занимае­мых частот.

Для повышения эффективности передачи дискретных сообщений применяют разнесенный прием сигналов, прием в целом, каналы обратной связи, широкополосные (шумоподобные) сигналы, адаптивную коррекцию характери­стик каналов и другие способы.

Разнесенный прием су­щественно повышает эффективность передачи дискретной информации, так как снижает вероятность ошибки. Вероятность ошибки разнесенного приема по методу голосования, когда решение принимается по большинству принятых нулей или единиц,

(6)

где k — число каналов, в которых произошла ошибка; п — число независимых каналов. Обычно п выбирают нечетным, чтобы упростить схему голосования.

Рис. 1. Зависимость и от

Предположим, что р0=10-3, n=3, тогда . Следовательно, даже в простейшем случае разнесенный прием приводит к уменьшению вероятно­сти ошибки примерно на три порядка.

Сущность приема в целом заключается в том, что вместо двух решающих схем в приемнике применяют одну и решение принимают по сигналу, соответст­вующему всей кодовой комбинации. Эффективность приема в целом выше бла­годаря тому, что в работе приемника используется та часть полезной информа­ции с выхода первой решающей схемы, которая при поэлементном приеме теряется после того, как первая решающая схема приняла решение. Поэлемент­ный прием и прием в целом равноценны только в случае кодирования без избы­точности.

Аппаратурная реализация приема в целом достаточно сложна и требует применения набора фильтров, согласованных с сигналами, которые соответствуют всем разрешенным кодовым комбинациям. Поэтому разрабатывают методы при­ема, промежуточные между поэлементным приемом и приемом в целом, в которых во второй решающей схеме используется часть информации о непрерывном сиг­нале на входе первой решающей схемы. Эффективность передачи сообщений такими методами возрастает, а сложность аппаратурной реализации остается приемлемой.

Системы с каналами обратной связи являются разновидностью дуплексных систем (системы, в которых может производиться одновременно независимый двусторонний обмен информацией между пользователями), в которых пропуск­ную способность каналов обоих направлений частично используют для передачи дополнительной информации, способствующей повышению эффективности пере­дачи. Обычно по каналу обратной связи передают лишь сигналы, полезные для коррекции ошибок в прямом канале. Различают системы с информационной обратной связью (ИОС) и системы с решающей (управляющей) обратной связью (РОС).

В системах с ИОС по каналу обратной связи непрерывно поступает инфор­мация о том, в каком виде по прямому каналу принимаются сообщения. По результатам анализа этой информации передающее устройство принимает ре­шение о степени соответствия принятого сообщения переданному и изменяет способ передачи, если имеются ошибки. Например, может быть увеличена мощ­ность передатчика, выполнено полное повторение ошибочно принятого сообще­ния, изменена избыточность кода, полностью прекращена передача, если прямой канал находится в плохом состоянии.

Если вероятность ошибки в обратном канале близка к нулю, применение ИОС может обеспечить существенное повышение эффективности передачи сооб­щений. Это достигается ценой усложнения аппаратуры и снижения скорости передачи информации, так как по существу используется временная избыточ­ность для повышения верности.

В системах с РОС в приемнике непрерывно осуществляется оценка верности передачи сообщений и лишь при появлении ошибки по каналу обратной связи посылается сигнал запроса повторения. Обратный канал используется значитель­но реже, чем в системах с ИОС. В остальное время он может применяться как прямой канал обратного направления. Это существенное достоинство систем с РОС. Использование корректирующих кодов и детекторов качества сигналов позволяет существенно повысить верность и скорость передачи. Применение обратной связи упрощает коды, так как они работают в режиме обнаружения ошибок. Соответственно упрощается и аппаратурная реализация систем.

Применение шумопоообных переносчиков позволяет не только приблизить скорость передачи информации к пропускной способности каналов, но и сущест­ венно повысить верность передачи сообщений, особенно по многолучевым радио­каналам с сосредоточенными помехами. База шумоподобных переносчиков v=10*2—10*3. Используя многолучевое распространение как основу разнесенного пржема, удается существенно повысить верность и в радиоканалах с селектив­ными замираниями.

В широкополосных системах интервал корреляции коэффициента передачи канала гораздо меньше длительности сигналов. Если время взаимного запазды­вания сигналов будет больше времени их корреляции, то сигналы отдельных лучёй будут полностью разделены коррелятором. Тогда для использования раз­несённого приема остается выполнить коррекцию их фаз и амплитуд, а затем сформировать результирующий сигнал. Повышение помехоустойчивости дости­гается введением временной и частотной избыточности сигналов.

В одной из первых широкополосных КВ радиостанций «Rake» (1956 г.) широкополосные сигналы создавались на основе линейных рекуррентных после­довательностей биполярных коротких импульсов длительностью τ= 1/F, распо­ложенных псевдослучайно внутри сигнала общей длительностью Т . В системе «Rake» F=10 кГц, T=22 10-3 с, поэтому v/2 = 220. В настоя­щее время сигналы создаются с помощью регистров сдвига, охваченных цепями обратной связи. Обеспечение верности передачи достигается за счет ухудшения эффективности использования полосы частот, так как .

Адаптивная коррекция характеристик каналов заключается в периодическом зондировании канала испытательным импульсом, который отделен от информа­ционного пакета сигналов защитным интервалом, в текущем измерении и, если требуется, в коррекции коэффициента передачи канала. Синхронные системы адаптивной коррекции каналов сочетают возможности обеспечения высокой ско­рости передачи дискретных сообщений и временного уплотнения линий связи.