Материал: Основы теории радиосистем передачи информации. учебное пособие. Журавлёв Д.В

3. Эффективность передачи непрерывных сообщений

Оценка эффективности. Уже отмечалось, что оценка эффективности передачи непрерывных сообщений — это оценка эффективности способа модуля­ции. Для оценки эффективности обычно используют выигрыш по отношению сигнал/шум и коэффициент использования пропускной способности канала

(7)

В табл. 1 приведены данные сравнительного анализа эффективности различных видов модуляции, полученные при дБ и пик-факторе П= для гауссова канала при оптимальной обработке сигналов. Анализ показывает, что лучше всего используется пропускная способность канала при однополосной модуляции, однако потенциальная помехоустойчивость этого нида модуляции низка ( = 1). Фазовая и частотная модуляция при больших индексах прибли­жаются по потенциальной помехоустойчивости к идеальной модуляции (ИС) (выигрыш составляет десятки и сотни раз), но коэффициент использования канала мал (0,19—0,32) из-за большой частотной избыточности модулированных сигналов.

Повышение эффективности передачи непрерывных сообщений.

Основными способами повышения эффективности передачи непрерывных сообщений являются устранение из­быточности, статистическое уплотне­ние, применение цифровых видов мо­дуляции.

Большая избыточность непрерыв­ных сообщений — одна из основных причин снижения эффективности си­стем. Поэтому развиваются способы устранения избыточности. Все они основаны на дискретной передаче не самого сигнала, а его наиболее ха­рактерных параметров, изменений ко­торых во времени протекает гораздо медленнее, чем изменение самого сигнала. Этот принцип используют в вокодерах, видеокодерах и телеко­дерах — устройствах для компрессии спектров телефонных, видеотелефонных и телевизионных сигналов.

Вокодеры (сокращение английского названия «voice coder» — кодировщик голоса) — это телефонные системы с параметрической компрессией спектров ре­чевых сигналов. Вместо текущего спектра передается информация о параметрах сигналов: спектральных уровнях в узких диапазонах частот сигнала, частотах и уровнях формант (областей спектра сигнала с увеличенным значением ампли­туд), основном тоне, фонемах (элементах речи, воспринимаемых как одно целое и однородное; для речи фонемы тоже, что буквы для письма) и др. Избыточными элементами речевых сигналов считают высоту тона, тембр, акцент, интонацию и т. п.

На рис. 2 показана структурная схема вокодера. Анализатор сообще­ний выделяет наиболее характерные параметры речевого сигнала. Формирователь тем или иным способом кодирует процесс изменения этих параметров для пере­дачи по линии связи. В приемнике при декодировании выполняется оценка принятых параметров сигнала и полученные оценки используются в синтезаторе сообщений для воспроизведения копии речевого сигнала.

Таблица 1

Рис. 2. Обобщенная структурная схема вокодера

Теоретически спектр речевого сигнала можно сжать примерно в 200 раз, что позволяет использовать полосу 15—20 Гц. Однако предельная компрессия аппаратурно трудно реализуема. Кроме того, теряется узнаваемость речи говорящего. Разработаны вокодеры с сохранением узнаваемости, которые используют полосу 100—200 Гц, что соответствует 15—30-кратной компрессии спектра и такому же увеличению дополнительного числа каналов в уплотненных линиях. Например, один из действующих малогабаритных цифровых вокодеров занимает объем 0,12 м3, включая и источники питания, и обеспечивает высокую натуральность речи при скорости передачи информации 2400 бит/с.

Задачи устранения избыточности видеотелефонных и телевизионных сообще­ний еще более актуальны. Достаточно указать, что только двукратная компрес­сия спектра телевизионного сигнала позволяет организовать в освободившейся полосе частот в 2. МГц дополнительно около 700 телефонных каналов. Передача видеотелефонного сигнала в аналоговой форме требует полосы около 1 МГц. Если применить цифровую передачу методом дифференциальной ИКМ, использовать статистическое кодирование, линейное и нелинейное предсказание сигналов, можно обеспечить более чем 5—10-кратную компрессию спектра видеотелефон- нога сигнала. Например, цифровой видеокодер фирмы «Филко — Форд» для пе­редачи черно-белых малоподвижных изображений (говорящих по телефону людей) использует стандартный телефонный канал. Успехи в создании теле­кодеров пока еще не столь значительны.

В обычных системах статистические особенности использования каналов або­нентами не учитывают. Если эти особенности учесть, можно существенно повы­сить эффективность передачи сообщений. Сущность статистического уплотнения заключается в том, что паузы в передаче и свободные полосы частот, обуслов­ленные статистическими особенностями источников информации, используют для организации дополнительных каналов и передачи дополнительной информа­ции.

Наибольшее распространение получили телефонные системы статистического уплотнения, в которых дополнительная аналоговая или дискретная информация передается в паузах между речевыми сигналами. Передача дополнительной информации повышает коэффициент использования уплотненных линий с 37 до 90% . Эффективность статистического уплотнения тем выше, чем больше ка­налов. Например, в 12-канальной системе эффективность статистического уплот­нения равна 1,5 (в среднем образуется дополнительных 6 каналов), в 96-каналь­ной системе эффективность статистического уплотнения 2,45, следовательно, до­полнительно организуется около 140 каналов — больше, чем в самой системе.

Управление динамической нагрузкой каналов позволяет повысить эффектив­ность статистического уплотнения до 2,74 раза. Сущность этого способа заклю­чается в контроле и выравнивании реальной нагрузки различных каналов, в ре­зультате коэффициенты использования всех каналов примерно одинаковы.

Сейчас уже очевидно, что применение цифровых способов для повышения эффективности передачи непрерывных сообщений является магистральным на­правлением. Развитие интегральной микроэлектроники и цифровой вычислитель­ной техники, проникновение в технику связи программных способов управления процессами передачи сообщений, преимущества унификации и стандартизации цифровых элементов и модулей аппаратуры, приближение характеристик цифро­вых видов модуляции к характеристикам идеальной модуляции — все это со­здает объективные предпосылки для дальнейшего развития высокоэффективных цифровых способов передачи непрерывных сигналов.

4. Эффективность передачи информации в сетях

Современные сети связи построены с использованием большого числа разно­родных систем, узлов и линий связи. Поэтому для оценки и повышения эффек­тивности передачи информации в сетях находят применение вес рассмотренные ранее методы. Однако этого недостаточно, так как сети связи являются качест­венно новым видом объектов информационной техники, что ведет к необходи­мости разработки принципиально новых методов оценки и повышения эффектив­ности. Детально все эти методы изучают в курсе «Теория сетей связи», мы рассмотрим лишь характерные особенности оценки эффективности сетей и спо­собов ее повышения.

В отличие от систем связи конкретного назначения, для которые скорость передачи информации и достоверность являются основными техническими харак­теристиками качества, в сетях связи на первый план выступают такие комплекс­ные показатели эффективности передачи информации в сетях, как общее число узлов или конечных пунктов, общая длина линий (каналов), годовой объем переданной информации, стоимость сети или приведенные затраты, номинальная мощность сети по пропускной способности, фактическая загрузка сети, время доставки информации, относительное число потерянных вызывов и задержек, показатели полезного использования времени абонентов, коэффициенты готов­ности основных элементов сети, показатели связности и живучести, Пока­затели использования узлов и каналов, и многие др.

В любой сети изменение скорости передачи инфор­мации, увеличение времени установления соединения, увеличение уровня помех в каналах и искажение сигналов, отказы аппаратуры и другие процессы неизбеж­но влияют на задержку сообщений в сети. Поэтому среднее время задержки сообщений в сети можно рассматривать как комплексный критерий.

Для повышения эффективности передачи информации в сетях могут быть использованы любые технически и экономически целесообразные способы. В чис­ле основных способов следует отметить переход на автоматическую коммутацию каналов и сообщений, оптимальное сочетание программных и аппаратурных мето­дов коммутации и управления, применение цифровых способов передачи инфор­мации, коммутации и управления (интеграция принципов работы систем сети), повышение качества синхронизации и применение асинхронного принципа, использование все более высоких частот радиоканалов (развитие радиорелейных линий), применение спутниковых линий связи для резервирования наземных линий, оптимальное сочетание методов централизованного и децентрализованного управления сетями, применение динамического согласования нагрузки различных линий и каналов сетей, разработку теоретических методов структурной и пара­метрической оптимизации сетей с многополюсными потоками, многоадресными сообщениями и с приоритетами сообщений, все более широкое внедрение элемен­тов и устройств цифровой вычислительной техники.

Выводы.

1. Оценка эффективности передачи информации была и остается актуальной задачей теории информации и передачи сигналов. По мере развития теории и техники связи все более очевидной становится необходимость системного подхода к оценке эффективности. Системный подход позволяет произвести технико-эко­номическую оценку эффективности с учетом взаимосвязи основных технических и экономических показателей качества передачи информации. Это направление интенсивно развивается.

2. Для оценки эффективности передачи дискретных сообщений практическое распространение получили коэффициент использования мощности сигнала и ко­эффициент использования полосы частот канала. По физическому смыслу оба коэффициента показывают то максимальное удельное количество дискретной информации, которое можно передать по каналу при фиксированном отношении сигиал/шум или при фиксированной полосе частот канала. Увеличение эффек­тивности использования мощности всегда связано с уменьшением коэффициента использования полосы.

Эффективность передачи дискретных сообщений можно повысить, применяя разнесенный прием сигналов, прием сигналов в целом, широкополосные сигналы, адаптивную коррекцию характеристик каналов связи, вводя каналы обратной связи, и другими методами.

3. Оценка эффективности передачи непрерывных сообщений сводится к оцен­ке (эффективности метода модуляции. Для этого обычно используют обобщенный выйгрыш по отношению сигнал/шум и коэффициент использования пропускной способности канала. При цифровой передаче непрерывных сообщений исполь­зуют методы оценки эффективности многоступенчатых видов модуляции. Эффек­тивность передачи непрерывных сообщений повышают, устраняя избыточность сообщений, применяя статистическое уплотнение, цифровые способы переда­чи и др.

4. Оценка эффективности передачи информации в сетях является сложной и малоизученной проблемой. Эти комплексные критерии связаны со всеми основ­ными техническими и экономическими показателями качества передачи инфор­мации и могут быть полезны при решении задач анализа эффективности и опти­мального синтеза сетей.

Для повышения эффективности передачи информации в сетях применяют большинство рассмотренных методов теории и информации и передачи сигналов, а также разрабатывают принципиально новые методы, которые в совокупности образуют теорию сетей связи.

2. Методы повышения верности передачи

1. Необходимость передачи дискретной информации с повышенной верностью

Необходимость передачи дискретной информации с повышенной верностью возникает в случае, когда в передаваемых документах отсутствует внутренняя смысловая избыточность, присущая каждому языку. Такое наблюдается при передаче криптограмм (шифрованные телеграммы) и при передаче данных. В первом случае внутренняя смысловая избыточность удаляется из сообщений преднамеренно, а во втором случае она отсутствует изначально, так как данные представляют собой формализованную цифровую информацию. И в том, и в другом случае восстановить по смыслу ошибочно принятый документ не удается.

Вот почему нормы на частоту ошибок в таких случаях жестче, чем в случае передачи телеграфных смысловых сообщений. На сети передачи данных МПС принятая норма на коэффициент ошибок kош составляет 1 10-6. В то же время в существующих каналах связи измеренный коэффициент ошибок kош = 1 -2 - 1 -5 . Коэффициент ошибок kош = 1 -2 относится к случаю применения для передачи дискретной информации коммутируемых каналов с электромеханическим коммутационным оборудованием. Импульсные помехи, возникающие из-за работы электромеханических реле, приводят к частому появлению ошибок.

Коэффициент ошибок характерен для выделенных каналов, оборудованных системами с импульсно-кодовой модуляцией, работающими по кабелям с медными жилами.

Имеются каналы, оборудованные системами синхронной цифровой иерархии, работающие по волоконно-оптическим кабелям.

В них коэффициент ошибок . Но таких участков в об­щей сети связи железнодорожного транспорта еще мало.

Сравнивая нормативные и реальные значения коэффициента ошибок, можно видеть, что они отличаются друг от друга в десять и большее число раз. Вот почему для соблюдения норм на каче­ство передачи сигналов необходимо применять те или иные меры защиты от ошибок, меры повышения верности передачи.

2. Классификация методов повышении верности

Все существующие методы защиты от ошибок можно условно разбить на две группы (рис. 3).

Большинство причин снижения верности передачи связано со свойствами каналов, по которым осуществляется передача, ка­налообразующей аппаратуры и оконечных устройств передачи и приема. Каждый из видов технических средств создает какие- либо помехи для передачи дискретных сигналов. Поэтому пер­вую группу составляют методы, направленные на ослабление действия помех (пассивные методы). Они, в свою очередь, могут быть разделены на организационно-технические и электротех­нические.

Уменьшение действия помех организационно-техническими методами можно достичь защитой от них и уменьшением уровня мешающих влияний в самих источниках помех.

Методы улучшения качественных показателей каналов связи, в первую очередь, связаны с применением вместо воздушных линий связи кабельных, в которых уровень внешних помех незначителен вследствие экранирующего эффекта оболочки кабеля.

Уменьшить взаимные влияния между цепями можно скрещива­нием цепей на воздушных линиях связи и симметрированием пар и четверок в кабельных линиях.

Учитывая, что все элементы аппаратуры связи получают элект­ропитание от одного источника (в доме связи), уменьшить помехи можно снижением пульсаций выпрямленного напряжения, т.е. улуч­шением фильтрации в цепях электропитания. И, наконец, их мож­но уменьшить, повышая культуру технического обслуживания, уменьшая ошибочные действия технического персонала при пла­новых проверках аппаратуры, проводя ремонтные и профилактические работы на линиях, измеряя характеристики каналов. Опыт показывает, что данные мероприятия в совокупности повышают верность передачи в 3—5 раз.