Каждый день люди сталкиваются с использованием электронных приборов. Без них невозможна современная жизнь. Ведь речь идет о телевизоре, радио, компьютере, телефоне, мультиварке и прочем. Раньше, еще несколько лет назад, никто не задумывался о том, какой сигнал используется в каждом работоспособном приборе. Сейчас же слова «аналоговый», «цифровой», «дискретный» уже давно на слуху. Некоторые виды сигналов из перечисленных являются качественными и надежными.

Цифровая передача стала использоваться намного позже, чем аналоговая. Это связано с тем, что такой сигнал намного проще обслуживать, да и техника на тот момент не была настолько усовершенствована.

С понятием «дискретность» сталкивается каждый человек постоянно. Если переводить это слово с латинского языка, то означать оно будет «прерывистость». Углубляясь далеко в науку, можно сказать, что дискретный сигнал представляет собой метод передачи информации, который подразумевает изменение во времени среды-переносчика. Последняя принимает любое значение из всех возможных. Сейчас дискретность уходит на второй план, после того, как было принято решение производить системы на чипе. Они являются целостными, а все компоненты тесно взаимодействуют друг с другом. В дискретности же все с точностью наоборот - каждая деталь завершена и связана с другими за счет специальных линий связи.

Сигнал

Сигнал представляет собой специальный код, который передается в пространство одной или несколькими системами. Эта формулировка является общей.

В сфере информации и связи сигналом назван специальный носитель каких-либо данных, который используется для передачи сообщений. Он может быть создан, но не принят, последнее условие не обязательно. Если же сигнал является сообщением, то его «ловля» считается необходимой.

Описываемый код задается математической функцией. Она характеризует все возможные изменения параметров. В радиотехнической теории эта модель считается базовой. В ней же аналогом сигнала был назван шум. Он представляет собой функцию времени, которая свободно взаимодействует с переданным кодом и искажает его.

В статье охарактеризованы виды сигналов: дискретный, аналоговый и цифровой. Также коротко дана основная теория по описываемой теме.

Виды сигналов

Существует несколько имеющихся сигналов. Рассмотрим, какие бывают виды.

1. По физической среде носителя данных разделяют электрический сигнал, оптический, акустический и электромагнитный. Имеется еще несколько видов, однако они малоизвестны.
2. По способу задания сигналы делятся на регулярные и нерегулярные. Первые представляют собой детерминированные методы передачи данных, которые задаются аналитической функцией. Случайные же формулируются за счет теории вероятности, а также они принимают любые значения в различные промежутки времени.
3. В зависимости от функций, которые описывают все параметры сигнала, методы передачи данных могут быть аналоговыми, дискретными, цифровыми (способ, который является квантованным по уровню). Они используются для обеспечения работы многих электрических приборов.

Теперь читателю известны все виды передачи сигналов. Разобраться в них не составит труда любому человеку, главное - немного подумать и вспомнить школьный курс физики.

Для чего обрабатывается сигнал?

Сигнал обрабатывается с целью передачи и получения информации, которая в нем зашифрована. Как только она будет извлечена, ее можно использовать различными способами. В отдельных ситуациях ее переформатируют.

Существует и другая причина обработки всех сигналов. Она заключается в небольшом сжатии частот (чтобы не повредить информацию). После этого ее форматируют и передают на медленных скоростях.

В аналоговом и цифровом сигналах используются особенные методы. В частности, фильтрация, свертка, корреляция. Они необходимы для восстановления сигнала, если он поврежден или имеет шум.

Создание и формирование

Зачастую для формирования сигналов необходим аналого-цифровой (АЦП) и Чаще всего они оба используются лишь в ситуации с применением DSP-технологий. В остальных случаях подойдет только использование ЦАП.

При создании физических аналоговых кодов с дальнейшим применением цифровых методов полагаются на полученную информацию, которая передается со специальных приборов.

Динамический диапазон

Вычисляется разностью большего и меньшего уровня громкости, которые выражены в децибелах. Он полностью зависит от произведения и особенностей исполнения. Речь идет как о музыкальных треках, так и об обычных диалогах между людьми. Если брать, например, диктора, который читает новости, то его динамический диапазон колеблется в районе 25-30 дБ. А во время чтения какого-либо произведения он может вырастать до 50 дБ.

Аналоговый сигнал

Аналоговый сигнал является непрерывным во времени способом передачи данных. Недостатком его можно назвать присутствие шума, который иногда приводит к полной потере информации. Очень часто возникают такие ситуации, что невозможно определить, где в коде важные данные, а где обычные искажения.

Именно из-за этого цифровая обработка сигналов приобрела большую популярность и постепенно вытесняет аналоговую.

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал является особым он описывается за счет дискретных функций. Его амплитуда может принять определенное значение из уже заданных. Если аналоговый сигнал способен поступать с огромным количеством шумов, то цифровой отфильтровывает большую часть полученных помех.

Помимо этого, такой вид передачи данных переносит информацию без лишней смысловой нагрузки. Через один физический канал может быть отправлено сразу несколько кодов.

Виды цифрового сигнала не существуют, так как он выделяется как отдельный и самостоятельный метод передачи данных. Он представляет собой двоичный поток. В наше время такой сигнал считается самым популярным. Это связано с простотой использования.

Применение цифрового сигнала

Чем же отличается цифровой электрический сигнал от других? Тем, что он способен совершать в ретрансляторе полную регенерацию. Когда в оборудование связи поступает сигнал, имеющий малейшие помехи, он сразу же меняет свою форму на цифровую. Это позволяет, например, телевышке снова сформировать сигнал, но уже без шумового эффекта.

В том случае, если код поступает уже с большими искажениями, то, к сожалению, восстановлению он не подлежит. Если брать в сравнении аналоговую связь, то в аналогичной ситуации ретранслятор может извлечь часть данных, затрачивая много энергии.

Обсуждая сотовую связь разных форматов, при сильном искажении на цифровой линии разговаривать практически невозможно, так как не слышны слова или целые фразы. Аналоговая связь в таком случае более действенна, ведь можно продолжать вести диалог.

Именно из-за подобных неполадок цифровой сигнал ретрансляторы формируют очень часто для того, чтобы сократить разрыв линии связи.

Дискретный сигнал

Сейчас каждый человек пользуется мобильным телефоном или какой-то «звонилкой» на своем компьютере. Одна из задач приборов или программного обеспечения - это передача сигнала, в данном случае голосового потока. Для переноса непрерывной волны необходим канал, который имел бы пропускную способность высшего уровня. Именно поэтому было предпринято решение использовать дискретный сигнал. Он создает не саму волну, а ее цифровой вид. Почему же? Потому что передача идет от техники (например, телефона или компьютера). В чем плюсы такого вида переноса информации? С его помощью уменьшается общее количество передаваемых данных, а также легче организуется пакетная отправка.

Понятие «дискретизация» уже давно стабильно используется в работе вычислительной техники. Благодаря такому сигналу передается не непрерывная информация, которая полностью закодирована специальными символами и буквами, а данные, собранные в особенные блоки. Они являются отдельными и законченными частицами. Такой метод кодировки уже давно отодвинулся на второй план, однако не исчез полностью. С помощью него можно легко передавать небольшие куски информации.

Сравнение цифрового и аналогового сигналов

Покупая технику, вряд ли кто-то думает о том, какие виды сигналов использованы в том или другом приборе, а об их среде и природе уж тем более. Но иногда все же приходится разбираться с понятиями.

Уже давно стало ясно, что аналоговые технологии теряют спрос, ведь их использование нерационально. Взамен приходит цифровая связь. Нужно понимать, о чем идет речь и от чего отказывается человечество.

Если говорить коротко, то аналоговый сигнал - способ передачи информации, который подразумевает описание данных непрерывными функциями времени. По сути, говоря конкретно, амплитуда колебаний может быть равна любому значению, находящемуся в определенных границах.

Цифровая обработка сигналов описывается дискретными функциями времени. Иначе говоря, амплитуда колебаний этого метода равна строго заданным значениям.

Переходя от теории к практике, надо сказать о том, что аналоговому сигналу характерны помехи. С цифровым же таких проблем нет, потому что он успешно их «сглаживает». За счет новых технологий такой метод передачи данных способен своими силами без вмешательства ученого восстановить всю исходную информацию.

Говоря о телевидении, можно уже с уверенностью сказать: аналоговая передача давно изжила себя. Большинство потребителей переходят на цифровой сигнал. Минус последнего заключается в том, что если аналоговую передачу способен принимать любой прибор, то более современный способ - только специальная техника. Хоть и спрос на устаревший метод уже давно упал, все же такие виды сигналов до сих пор не способны полностью уйти из повседневной жизни.

Каналом связи называется совокупность технических средств и физической среды, способной к передаче посылаемых сигналов, которая обеспечивает передачу сообщений от источника информации к получателю.

Кодер-источник должен обеспечивать такое преобразование сообщений источника, при котором сигналы на его выходе, обладали бы минимальной избыточностью и позволяли бы приблизить скорость передачи к максимально возможному значению, то есть пропускной способности канала. Однако, так как в реальных каналах неизбежны помехи, то для борьбы с ними приходится дополнительно вводить кодер – канала, который обеспечивает перекодирование поступающих сообщений, чтобы повысить помехоустойчивость сообщений. На выходе линий связи (канала) должно быть предусмотрено устройство для обратного преобразования (декодирования ) сигналов, поступивших с линий связи – декодер канала , после которого должно быть предусмотрено устройство для декодирования сигналов с источника – декодер источника .

Вопросы для самопроверки

1. Какие элементы каналов передачи данных в информационных сетях являются основными?

2. Что такое оконечное оборудование данных и для чего используется?

3. Что такое среда передачи данных?

4. Для чего служит аппаратура передачи данных?

5. Для чего служит промежуточное оборудование сети?

6. Какие каналы связи по типу среды передачи Вы знаете?

7. Какими показателями характеризуются каналы связи?

8. Чем определяется удобство подключения канала связи?

9. Чем определяется пропускная способность канала связи?

10. Что характеризует закрытость передачи данных?

Основные характеристики каналов связи

Цель лекции – изучение основных характеристик каналов связи.

Задачи лекции:

Изучить

Изучить разновидности, основные характеристики каналов связи.

Вопросы, рассматриваемые на лекции:

2. Разновидности, основные характеристики каналов связи.

Основными элементами каналов передачи данных в информационных сетях являются:

Оконечное оборудование данных (ООД), которое представляет собой информационный блок осуществляющий подготовку данных, предназначенную для передачи по каналу и служащий в одном случае источником данных, в другом – приемником.

Среда передачи данных (СПД), то есть любая физическая среда, способная передавать информацию с помощью соответствующих сигналов. Может представлять электрический или оптический кабель, или открытое пространство (физическое).

Аппаратура передачи данных (АПД) которую называют аппаратурой окончания передачи данных. Представляет аппаратуру, непосредственно связывающую оконечное оборудование данных со средой передачи данных, являющееся пограничным оборудованием передачи данных. К аппаратуре передачи данных относятся модемы, сетевые адаптеры и так далее.

4. Промежуточное оборудование сети (ПОС) представляет аппаратуру, применяемую на линиях связи большой протяженностью, которая позволяет решать следующие задачи:

Улучшение качества сигнала;

Обеспечение постоянства структуры канала связи между соседними узлами сети

(мультиплексоры, повторители, трансляторы и так далее.)

Совокупность оконченного оборудования данных (ООД) и аппаратуры передачи данных (АПД) называется станцией.

Каналы принято делить на непрерывные и дискретные.

В наиболее общем случае всякий дискретный канал включает в себя непрерывный как составную часть.

Если влиянием мешающих факторов на передачу сообщений в канале можно пренебречь, то такой идеализированный канал называется каналом без помех . В таком канале каждому сообщению на входе однозначно соответствовало определенное сообщение на выходе и наоборот.

Если влиянием помех в канале пренебречь нельзя, то имеет место канал при наличии помех.

Под моделью канала понимается математическое описание канала, позволяющее оценить его характеристики, используемое при построении систем связи без проведения экспериментальных исследований.

Канал, в котором вероятности отождествления первого сигнала со вторым и второго с первым одинаковы, называется симметричным .

Каналом со стиранием называется канал, алфавит сигналов на входе которого отличается от алфавита сигналов на его выходе.

Каналом обратной связи называется дополнительный обратный канал, вводимый в СПД для повышения достоверности передачи.

Канал связи считается заданным , если известны данные по сообщению на его входе, а также ограничения, которые накладываются на входные сообщения физическими характеристиками каналов.

Для каналов передачи информации используют характеристику, называемую скоростью передачи информации по каналам, которая характеризует среднее количество информации, которое может быть передано по каналу связи в единицу времени.

Для характеристики каналов связи могут использоваться два варианта понятия скорости передачи:

– техническая скорость передачи (скорость манипуляции), характеризуется числом элементарных сигналов, передаваемых по каналу в единицу времени. Она зависит от свойств линий связи и быстродействия аппаратуры каналов. Единицей измерениятехнической скорости служит 1 Бод=1 симв/1 сек.

– информационная скорость передачи определяется средним количеством информации, передающейся в единицу времени. Эта скорость зависит как от характеристик данного канала, так и от характеристик используемых сигналов [бит/с];

Среднее количество информации, выдаваемое источником сообщений в единицу времени называется производительностью источника.

Пропускной способностью канала связи называется наибольшая скорость передачи информации по этому каналу, достигаемая при самых совершенных способах передачи информации и приема.

Пропускная способность, как и скорость передачи информации, измеряется количеством передаваемой информации в единицу времени.

В телекоммуникационных системах (ТКС) находят наиболее широкое распространение виды каналов связи:

Симплексные каналы связи (КС) представляет такое представление обмена информацией между передатчиком и приемником, когда по одиночной линии связи (каналу) передаются сообщения только в одном направлении. Такой канал называется симплексным или невзаимные системы .

Полудуплексные каналы связи (режимы работы) в этом случае 2 узла связи соединены одним каналом связи (линией связи), но по этому каналу происходит передача информации поочередно (попеременно) в противоположных направлениях – так организован режим работы.

Дуплексный канал связи предполагает - одновременно два узла связи соединены двумя каналами (прямым и обратным), по которым информация передается одновременно в противоположных направлениях.

Симплексный тип канала связи используется в теле – и радиосетях.

Полудуплексный метод используется в информационно – справочных и запросо-ответных системах.

Дуплексный канал связи используется в системах с РОС и ИОС.

В телекоммуникационных системах различают выделенные (некоммутируемые) и коммутируемые на время передачи канала связи.

В выделенных каналах связи приемо – передающая аппаратура узлов связи постоянно соединена между собой. Это обеспечивает высокую степень готовности, более высокое качество передачи (связи) и поддержка большого объема трафика.

В силу относительно более высоких расходов на эксплуатацию сетей с выделенными каналами связи их рентабельность достигается при достаточно полной загрузки каналов связи.

Коммутируемые каналы связи организуются только на время передачи некоторого фиксированного объема информации. Для таких каналов характерна высокая гибкость и сравнительно небольшая стоимость (при малом объеме трафика).

Системы передачи данных (СПД) без канала обратной связи позволяют в принципе достигать желаемой верности передачи информации путем использования соответствующих корректирующих кодов. Платой за обеспечение желаемой достоверности служит существенное увеличение длины комбинаций, а также существенное усложнение аппаратуры.

Недостатком систем без обратной связи является также и то, что источник не получает никаких подтверждений о том как принята информация в приемнике . Поэтому в таких системах предъявляются очень высокие требования к надежности используемой аппаратуры. Исходя из этого, системы без обратной связи применяются, в первую очередь, тогда, когда невозможно организовать канал обратной связи или недопустимы задержки при передаче информации . В силу указанных обстоятельств широкое распространение получили системы с обратной связью (адаптивное управление), в которых достоверность передачи повышается за счет обнаружения ошибок на приемной стороне и с повторением только неправильно принятых кодовых комбинаций. При этом избыточность будет минимальной при отсутствии ошибок и будет увеличиваться с ростом их числа. Системы с обратной связью, в зависимости от способа организации обратной связи, делятся на системы с информационной обратной связью и с решающей обратной связью.

5.1 Система связи

Под системой связи понимают совокупность устройств и сред, обеспечивающих передачу сообщений от отправителя к получателю. В общем случае обобщённую систему связи представляют блок-схемой.

Рисунок 1– Обобщённая система связи

Передатчик – устройство, которое определяет и вырабатывает сигнал связи. Приёмник – устройство, которое преобразовывает принятый сигнал связи и восстанавливает первоначальное сообщение. Воздействия помех на полезный сигнал проявляется в том, что принятое сообщение на выходе приёмника не тождественно переданному.

Под каналом связи понимают совокупность технических устройств, обеспечивающих независимую передачу данного сообщения по общей линии связи в виде соответствующих сигналов связи. Сигнал связи – это электрическое возмущение, однозначно отображающее сообщение.

По своей форме сигналы связи весьма разнообразны и представляют собой изменяющиеся во времени напряжение или ток.

При решении практических задач в теории связи сигнал характеризуют объёмом , равным произведению трёх его характеристик: длительности сигнала , ширины спектра и превышения средней мощности сигнала над помехой . В таком случае . Если эти характеристики разложить параллельно осям декартовой системы, то получится объём параллелепипеда. Поэтому произведение называется объёмом сигнала.

Длительность сигнала определяет интервал времени его существования.

Ширина спектра сигнала – это интервал частот, в котором размещается ограниченный спектр частот сигнала, т.е. .

Канал связи по своей физической природе в состоянии пропустить эффективно лишь сигналы, спектр которых лежит в ограниченной полосе частот при допустимом диапазоне изменения мощности .

Кроме того, канал связи предоставляется отправителю сообщения на вполне определённое время . Следовательно, по аналогии с сигналом в теории связи введено понятие ёмкости канала , которая определяется: ; .

Необходимым условием передачи сигнала с объёмом по каналу связи, ёмкость которого равна , есть или . Физические характеристики сигнала могут быть изменены, но при этом уменьшение одной из них сопровождается увеличением другой.

5.2.2 Пропускная способность и скорость передачи

Пропускная способность – предельно возможная скорость передачи информации. Предельная пропускная способность зависит от ширины полосы пропускания канала, а также от отношения и определяется по формуле . Это формула Шеннона, которая справедлива для любой системы связи при наличии флуктуационной помехи.

5.2.3 Частотная характеристика канала

Частотной характеристикой канала связи называется зависимость остаточного затухания от частоты. Остаточным затуханием называется разность уровней на входе и выходе канала связи. Если в начале линии имеется мощность , а на её конце – , то затухание в неперах:

.

Аналогично для напряжений и токов:

; .

СОГЛАСОВАНИЕ СИГНАЛА С КАНАЛОМ

Скорость передачи измерительной информации определя­ет эффективность системы связи, входящей в измерительную систему.

Упрощенная схема измерительной системы показана на рис.175.

Обычно первичный измерительный преобразователь преоб­разует измеряемую величину в электрический сигнал X(t), который нужно передать по каналу связи. В зависимости от того, что представляет собой канал связи (электрический провод или кабель, световод, водная среда, воздушное или безвоздушное пространство) носителями измерительной ин­формации могут быть электрический ток, луч света, звуко­вые колебания, радиоволны и т.п. Выбор носителя является первым этапом согласования сигнала с каналом .

Обобщенными характеристиками канала связи являют­ся время Т к, в течение которого он предоставлен для пере­дачи измерительной информации, ширина полосы пропуска­ния F к и динамический диапазон Н к, под которым пони­мают отношение допустимой мощности в канале к мощнос­ти неизбежно присутствующих в канале помех, выраженное в децибелах. Произведение

называется емкостью канала.

Аналогичными обобщенными характеристиками сигнала являются время Т с, в течение которого происходит переда­ча измерительной информации, ширина спектра F c и динами­ческий диапазон Н c - выраженное в децибелах отношение наибольшей мощности сигнала к той наименьшей мощности, которую необходимо отличать от нуля при заданном качест­ве передачи. Произведение

называется объемом сигнала.

Геометрическая интерпретация введенных представлений показана на рис. 176.

Условием согласования сигнала с каналом, обеспечиваю­щим передачу измерительной информации без потерь и иска­жений при наличии помех, служит выполнение неравенства

когда объем сигнала полностью "вписывается" в емкость ка­нала. Однако условие согласования сигнала с каналом может выполняться и тогда, когда некоторые (но не все) из послед­них неравенств не выполняются. В этом случае возникает необходимость так называемых обменных операций, при ко­торых происходит как бы "обмен" длительности сигнала на ширину его спектра, или ширины спектра на динамический диапазон сигнала и т.п.

Пример 82. Сигнал, имеющий ширину спектра 3 кГц, необходи­мо передать по каналу, полоса пропускания которого 300 Гц. Это можно сделать, записав его предварительно на магнитную ленту и вос­производя при передаче со скоростью в 10 раз меньшей скорости за­писи. При этом все частоты исходного сигнала уменьшатся в 10 раз, и во столько же раз увеличится время передачи. Принятый сигнал при этом также нужно будет записать на магнитную ленту. Воспроизводя его затем со скоростью, в 10 раз большей, можно будет воспроизвести исходный сигнал.

Аналогичным образом можно за короткое время передать дли­тельный сигнал, если полоса пропускания канала шире спектра сигнала.

В каналах с аддитивными некоррелированными помеха­ми

где Р c и Р п - соответственно мощности сигнала и помех. При передаче электрических сигналов отношение

можно рассматривать как число уровней квантования сигна­ла, обеспечивающих безошибочную передачу. Действительно при выбранном шаге квантования сигнал любого уровня из-за влияния помех не может быть принят за сигнал сосед­него уровня. Если теперь представить сигнал совокупностью мгновенных значений, взятых в соответствии с теоремой В.А. Котельникова через промежутки времени Dt= ,

то в каждый из этих моментов времени он будет соответ­ствовать одному из уровней, т.е. может иметь одно из п равновероятных значений, что соответствует энтропии

После регистрации приемным устройством одного из уровней в фиксированный момент времени энтропия (апостериорная) окажется равной 0, а квант информации (количество инфор­мации, переданной в дискретный момент времени)

Так как весь сигнал передается N = 2 F c T c квантами, то коли­чество содержащейся в нем информации

прямо пропорционально объему сигнала. Для передачи этой информации за время Т к необходимо обеспечить скорость передачи

Если сигнал с каналом согласованы и Т с = Т к; F c = F к,то

Это формула К. Шеннона для предельной пропускной способ­ности канала. Она устанавливает максимальную скорость безошибочной передачи информации . При Т c < T к скорость может быть меньшей, а при Т с > T к возможны ошибки.

Зависимость предельной пропускной способности канала от отношения сигнал/помеха при нескольких значениях ши­рины полосы пропускания показана на рис. 177. Характер этой зависимости разный при больших и малых отношениях

т.е. зависимость пропускной способности канала от отноше­ния сигнал/помеха логарифмическая.

Если «1, то несмотря на то, что Р п » Р c , безошибочная передача все-таки возможна, но с очень малой скоростью. В этом случае справедливо разложение

в котором можно ограничиться первым членом. С учетом то­го, что log e = 1,443, получим

Таким образом, при малых отношениях сигнал/помеха зави­симость пропускной способности от отношения сигнал/поме­ха линейна.

Зависимость пропускной способности от ширины поло­сы пропускания канала в реальных системах более сложная, чем просто линейная. От полосы пропускания канала зави­сит мощность шумовой помехи на входе приемного устрой­ства. Если спектр помехи равномерный, то

где G - спектральная плотность мощности помехи, т.е. мощность помехи, приходящаяся на единицу полосы частот. Тогда

Мощность сигнала можно выразить через такую же спект­ральную плотность, если ввести в рассмотрение эквивалент­ную полосу частот F э:

Разделив обе части этого выражения на F э, получим:

Характер этой зависимости показан на рис. 178. Важно от­метить, что с увеличением поло­сы пропускания канала его про­пускная способность не увеличи­вается безгранично, а стремится к некоторому пределу . Это объ­ясняется усилением шума в ка­нале и ухудшением отношения сигнал/шум на входе приемного устройства. Предел, к которому с ростом F к стремится с можно определить, воспользовавшись при больших F к уже известным разложением логарифмической функции в ряд. Тогда, если

Таким образом, максимальное значение, к которому стремится предельная пропускная способность канала с рос­том его ширины полосы пропускания, пропорционально отношению мощности сигнала к мощности помех, приходя­щейся на единицу полосы частот. Отсюда, очевидно, вытека­ет следующий практический вывод: для увеличения предель­ной пропускной способности канала нужно увеличивать мощность передающего устройства и использовать приемное устройство с минимальным уровнем шумов на входе.

Наряду с эффективностью вторым важнейшим показа­телем качества системы связи является помехоустойчивость. При передаче измерительной информации в аналоговой фор­ме она оценивается по отклонению принятого сигнала от переданного. Помехоустойчивость дискретных каналов связи характеризуется вероятностью ошибки Р ош (отношением числа ошибочно принятых знаков к общему числу передан­ных) и связана с ней зависимостью

Если, например, Р ош = 10 -5 , то æ = 5; если Р ош = 10 -6 , то æ = 6.

Эффективным способом повышения помехоустойчивости при передаче измерительной информации в аналоговой форме и некоррелированных помехах является накопление. Сигнал передается несколько раз и при когерентном сложении всех принятых реализации его значения в соответствующие момен­ты времени суммируются, в то время как помеха в эти моменты времени, являясь случайной, частично компенсиру­ется. В результате отношение сигнал/помеха увеличивается, помехоустойчивость повышается. Аналогично идея накопле­ния реализуется при передаче измерительной информации по дискретному каналу.

Пример 83 . Пусть характер помехи таков, что она может быть принята за сигнал (т.е. 0 может быть принят за 1). При передаче кодом Бодо комбинация 01001 трижды принята в виде:

Если сумматором является устройство, не срабатывающее при появ­лении хотя бы одного нуля в столбце, то комбинация будет принята правильно при условии, что каждый ноль хотя бы раз был принят вер­но.

Если при одной передаче вероятность независимых оши­бок обозначить через Р ош, то после N - кратного повторения передачи она будет равна Р ош. Следовательно, помехоустой­чивость после N повторных передач

где æ - помехоустойчивость при однократной передаче. Та­ким образом, помехоустойчивость при накоплении возрас­тает в число повторений раз.

Одним из способов повышения помехоустойчивости яв­ляется также применение корректирующих кодов.

Повышение помехоустойчивости достигается за счет увеличения избыточности, а в более общем плане - за счет увеличения объема сигнала при том же количестве измери­тельной информации. При этом должно сохраняться условие согласования сигнала с каналом. При выполнении этого усло­вия и Т c = Т к; Н с = Н к передача измерительной информации с помощью амплитудно-модулированного высокочастотного колебания является более помехоустойчивой, чем непосред­ственная передача сигнала, потому что в случае, например, тональной модуляции занимает вдвое большую полосу частот. В свою очередь применение глубокой частотной или фазовой модуляции, благодаря расширению спектра,еще больше повышает помехоустойчивость системы связи. В этом смысле перспективным является применение не простых сигналов, у которых

F с Т с ≈ 1,

а сложных, для которых

К ним относятся импульсные сигналы с высокочастотным заполнением и частотной модуляцией или фазовой манипу­ляцией несущих колебаний и др.

Требования эффективности и помехоустойчивости сис­тем связи являются противоречивыми. Они побуждают с одной стороны уменьшать, а с другой - увеличивать объем сигнала, не нарушая, условия согласования его с каналом и не меняя количества содержащейся в нем информации. Удовлетворение этих требований предполагает синтез оп­тимальных технических решений.

Классификация сигналов. Их характеристики.

Под сигналом понимают физический процесс, который осуществляет перенос информации во времени и пространстве. Сигналы описываются математическими моделями , отражающими общие свойства различных по физической природе процессов. Чаще всего сигналы представляются функциональными зависимостями, в которых аргументом является время либо некоторая пространственная переменная . Функции, описывающие сигналы, могут принимать как вещественные , так и комплексные значения.

Сигнал, описываемый функцией одной переменной, называется одномерным , а сигнал, описываемый функцией независимых переменных - многомерным . Например, яркость изображения - двумерный сигнал.

Сигнал называется казуальным , если он имеет точку отсчета (начало во времени).

Финитные сигналы - это сигналы конечной длительности, т.е. существующие на конечном временном интервале. Они отличны от нуля на этом интервале и равны нулю за его пределами.

Сигналы также бывают (рис 2):

Непрерывные (аналоговые);

Дискретные во времени;

Квантованные по величине и непрерывные во времени;

Квантованные по величине и дискретные во времени (цифровые).

a) непрерывные сигналы б) дискретные во времени сигналы

в) сигналы, квантованные по величине г) сигналы, квантованные по

и непрерывные во времени величине и дискретные во времени

Рис 2. Виды сигналов.

Иной признак классификации сигналов основан на возможности или невозможности предсказания точных значений сигнала в любой момент времени или в любой точке пространственной координаты. Соответственно, сигналы, для которых возможно указанное предсказание, называются детерминированными , а сигналы, для которых невозможно точно предсказать значения - случайными . Случайные сигналы описываются случайными функциями, значения которых при каждом данном значении аргумента представляются случайными величинами. Случайную функцию времени называют случайным процессом . При одном наблюдении случайного процесса получают определенную функциональную зависимость, которую называют реализацией . Примером реализации случайного процесса может служить отрезок сигнала , зарегистрированный на выходе микрофона при произнесении какого-либо шипящего звука. Примером детерминированного сигнала является гармоническое колебание .

Если случайный сигнал носит вероятностный характер, то на основании методов теории вероятности можно определить его статистические характеристики.

Вероятность того, что величина попадает в заданный интервал, определяется выражением:

, (1)

где – границы возможных значений;

– представляет собой дифференциальный закон распределения случайной величины и называется одномерной плотностью вероятности;

– интегральная функция распределения случайной величины.

Для практических приложений важны следующие статистические характеристики случайной величины :

1) Математическое ожидание случайной величины:

, (2)

если события равновероятны, то математическое ожидание равно среднему арифметическому

2) Дисперсия случайной величины (отклонение от среднего):

если события равновероятны:

.

3) Среднее квадратическое отклонение (СКО):

Стационарным процессом называется процесс, если его -мерный закон распределения зависит от интервала времени , но не зависит от положения на числовой оси. Для строго стационарных процессов математическое ожидание и дисперсия не зависят от времени.

При рассмотрении случайных величин следует различать статистические характеристики, определенные по совокупности и по времени. В первом случае характеристики определяются на основании наблюдения над многими одинаковыми объектами в один и тот же момент времени, а во втором случае – на основании наблюдения над одним объектом в течение достаточно длительного времени. Случайный процесс называется эргодическим , если при определении любых статистических характеристик усреднение по совокупности и по выборке равно усреднению по времени.

Корреляция – величина схожести двух сигналов. Если сравниваются два разных сигнала, то мерой их схожести является взаимно-корреляционная функция . Если сигнал сравнивается сам с собой, то степень схожести определяется автокорреляционной функцией .

Основными характеристиками детерминированных сигналов являются его энергетические характеристики.

Энергетические характеристики сигналов:

1. Мгновенная (текущая) мощность: . (5)

2. Энергия: . (6)

3. Средняя мощность на интервале:

. (7)

4. Если сигнал равен сумме двух сигналов:

,

,

. (8)

Взаимная энергия и мощность двух сигналов характеризуют степень схожести двух сигналов .

5. Если сигналы совпадают, взаимная энергия увеличивается в 4 раза, и такие системы называются когерентными :

6. Если взаимная мощность или взаимная энергия двух сигналов равна нулю (т.е. или ) то такие сигналы называют ортогональными . Из ортогональности по энергии всегда следует ортогональность по мощности, но не наоборот:

7. Если сигналы не полностью совпадают, то они называются частично совпадающими сигналами.

При цифровой обработке сигналов часто используют такие специальные функции как функция Хэвисайда и -функция Дирака

1) Функция единичного сигнала (функция Хэвисайда) определяется:

Используется при создании сигналов конечной длительности:

В MATLAB данную функцию можно смоделировать с помощью оператора сравнения .

2) -функция или функция Дирака – бесконечно узкий импульс с бесконечной амплитудой и единичной площадью :

Важное свойство -функции – ее фильтрующее свойство:

. (10)

Лекция №2. Основы анализа сигналов.

Сигнал на интервале может быть записан в форме обобщенного ряда Фурье :

. (1)

Если – вектор, то последнее выражение можно интерпретировать как разложение по некоторому базису, а коэффициенты могут рассматриваться как проекции вектора на координатные оси, заданные системой функций , образующих базис .

Для того чтобы разложение было возможно, исходный сигнал и система функций должны удовлетворять определенным условиям :

Во-первых , сигнал должен принадлежать множеству квадратично-интегрируемых на отрезке сигналов.