Министерство образования и науки рф
Российский государственный гидрометеорологический университет
Е.А.Чернецова
Теория передачи дискретных сообщений
Конспект лекций
Санкт-Петербург
2006
УДК 681.3.07
Чернецова Е.А. Теория передачи дискретных сообщений. Конспект лекций - СПб.: изд. РГГМУ, 2006.- с.
Рецензент А.И.Яшин, проф.ГЭТУ(ЛЭТИ)
Конспект лекций предназначен для студентов специальности «Информационная безопасность телекоммуникационных систем» и всех желающих познакомиться с основными принципами, на которых основана работа систем связи. Конспект лекций содержит одиннадцать лекций, являющихся введением в теорию передачи дискретных сообщений. В лекциях достаточно подробно описаны основные положения цифровой связи, относящиеся к сигналам, поведению канала и модуляции. Предполагается, что студенты имеют начальные знания по теории вероятности. Все математические выкладки, изложенные в тексте, поданы в максимально упрощенном виде. Там, где необходимо, формулы сопровождаются соответствующими пояснениями. Также для пояснения излагаемого материала приведены примеры и расчеты в виде задач и их решения. Данный конспект лекций позволит читателю самостоятельно продолжить изучение систем связи
Чернецова Е.А. 2007
Российский государственный гидрометеорологический университет (рггму), 2007
Лекция 1
Обработка сигналов в цифровой связи
Причина замены аналоговой связи на цифровую.
Основным преимуществом цифровой связи является легкость восстановления цифровых сигналов по сравнению с аналоговыми. Рассмотрим рисунок 1.1, на котором представлен идеальный двоичный цифровой импульс, распространяющийся по каналу передачи данных. На форму сигнала влияют два основных механизма:
1. Поскольку все каналы и линии передачи имеют неидеальную частотную характеристику, идеальный импульс искажается;
2. Нежелательные электрические шумы или другое воздействие со стороны еще больше искажает форму импульса. Чем протяженнее канал, тем существеннее эти механизмы искажают импульс (рисунок 1.1). В тот момент, когда переданный импульс все еще может быть достоверно определен (прежде чем он ухудшится до неоднозначного состояния), импульс усиливается цифровым усилителем, восстанавливающим его первоначальную идеальную форму. Импульс “возрождается” или восстанавливается. За восстановление сигнала отвечают регенеративные ретрансляторы, расположенные в канале связи на определенном расстоянии друг от друга.
Цифровые каналы менее подвержены искажению и интерференции, чем аналоговые. Поскольку двоичные цифровые каналы дают значимый сигнал только при работе в одном из двух состояний — включенном или выключенном — возмущение должно быть достаточно большим, чтобы перевести операционную точку канала из одного состояния в другое. Наличие всего двух состояний облегчает восстановление сигнала и, следовательно, предотвращает накопление в процессе передачи шумов или других возмущений. Аналоговые сигналы, наоборот, не являются сигналами с двумя состояниями; они могут принимать бесконечное множество форм. В аналоговых каналах да же небольшое возмущение может неузнаваемо исказить сигнал. После искажения аналогового сигнала возмущение нельзя убрать путем усиления. Поскольку накопление шума неразрывно связано с аналоговыми сигналами, как следствие, они не могут воспроизводиться идеально. При использовании цифровых технологий очень низкая частота возникновения ошибок плюс применение процедур выявления и коррекции ошибок делают возможным высокую точность сигнала. Остается только отметить, что с аналоговыми технологиями подобные процедуры недоступны.
Рисунок 1.1 Искажение и восстановление формы импульса
Существуют и другие в преимущества цифровой связи. Цифровые каналы надежнее и могут производиться по более низким ценам, чем аналоговые. Кроме того, цифровое программное обеспечение позволяет более гибкую реализацию, чем аналоговое (например, микропроцессоры, цифровая коммутация и большие интегральные схемы. Использование цифровых сигналов и уплотнения с временным разделением (time-division multiplexing - TDM) проще применения аналоговых сигналов и уплотнения с частотным разделением (frequency-division multiplexing – FDM) При передаче и коммутации различные типы цифровых сигналов (данные, телеграф, телефон, телевидение) могут рассматриваться как идентичные: ведь бит — это и есть бит. Кроме того, для удобства коммутации и обработки, цифровые сообщения могут группироваться в автономные единицы, называемые пакетами. В цифровые технологии естественным образом внедряются функции, защищающие от интерференции и подавления сигнала либо обеспечивающие шифрование или секретность. Кроме того, обмен данными в основном производится между двумя компьютерами или между компьютером и цифровыми устройствами или терминалом. Подобные цифровые оконечные устройства лучше (и естественнее!) обслуживаются цифровыми каналами связи.
Чем же мы платим за преимущества систем цифровой связи? Цифровые системы
требуют более интенсивной обработки, чем аналоговые. Кроме того, для цифровых необходимо выделение значительной части ресурсов для синхронизации на личных уровнях. Аналоговые системы, наоборот, легче синхронизировать. Еще одним недостатком систем цифровой связи является то, что ухудшение качества носит пороговый характер. Если отношение сигнал/шум падает ниже некоторого порога, качество обслуживания может внезапно измениться от очень хорошего до очень плохого. В аналоговых же системах ухудшение качества происходит более плавно.
Главным же преимуществом цифровой связи по сравнению с аналоговой является то, что цифровая связь позволяет реализовать любое, априорно заданное качество связи, выражающееся в вероятности битовой ошибки.