1. Сигналы и помехи в радиотехнических системах
Приведены основные сведения о сигналах и помехах в радиотехнических системах. Изложены вопросы дискретизации по времени и квантования по уровню непрерывных сигналов, а также способы их восстановления. Большое внимание уделено построению сложных сигналов и систем сигналов. Рассмотрены вопросы моделирования сигналов и помех.
1.1. Основные понятия и определения
В общем случае под информацией понимают совокупность сведений о каких-либо событиях, явлениях или предметах.
Сообщение - это информация, представленная в определенной конкретной форме. Одна и та же информация может быть передана с помощью разных сообщений. Например, информация о часе приезда вашего приятеля может быть передана по телефону или в виде телеграммы. В первом случае мы имеем дело с информацией, представленной в непрерывном виде (непрерывное сообщение). Будем считать, что это сообщение вырабатывается некоторым источником - в данном случае источником непрерывных сообщений. Во втором случае - с информацией, представленной в дискретном виде (дискретное сообщение). Это сообщение вырабатывается источником дискретных сообщений.
При передаче сообщений по телеграфу информация заложена в буквах, из которых составлены слова, и цифрах. Очевидно, что на конечном отрезке времени число букв или цифр, называемых в дальнейшем символами, является конечным. Это и является отличительной особенностью дискретного или счетного сообщения. В то же время число различных возможных значений звукового давления, измеренное при разговоре, даже на конечном отрезке времени будет бесконечным. В дальнейшем будем рассматривать только вопросы передачи дискретных сообщений.
Информация, содержащаяся в сообщении, передается получателю по каналу передачи дискретных сообщений (ПДС) (рис.1.1). Рассмотрим основные характеристики тракта передачи, в состав которого входят канал ПДС, источник (ИС) и получатель (ПС) дискретных сообщений.
ИС
Канал ПДС
(система ПДС)
ПС
Рис.1.1
Источник
дискретных сообщений характеризуется
алфавитом передаваемых сообщений A.
Пусть объем этого алфавита (число
символов алфавита) K,
а вероятность выдачи символа ai
A
(1
i
K)
равна p(ai).
Количество информации в сообщении (символе) определяется в битах - единицах измерения количества информации. Было предложено определять количество информации на одно сообщение ai выражением
I(ai)
=
.
Среднее количество информации H(A), которое приходится на одно сообщение источника независимых сообщений
.
Определенное таким образом среднее количество информации называется энтропией источника дискретных сообщений. Энтропия максимальна, если символы источника появляются независимо и с одинаковой вероятностью.
Определим энтропию источника сообщений, если K=2 и p(a1)=p(a2)=0,5. Тогда
.
Отсюда 1 бит - это количество информации, которое приходится на один символ источника дискретных сообщений в том случае, когда алфавит источника состоит из двух равновероятных символов.
Среднее количество информации, выдаваемое источником в единицу времени, называют производительностью источника
H’(A)=H(A)/T (бит/с),
где T - среднее время, отведенное на передачу одного символа (сообщения).
Для каналов передачи дискретных сообщений вводят аналогичную характеристику - скорость передачи информации по каналу R. Она определяется количеством бит, передаваемых в секунду. Максимально возможное значение скорости передачи информации по каналу называется пропускной способностью канала и обозначается C.
Сообщение, поступающее от источника, преобразуется в сигнал, который является его переносчиком в системах ПДС. На приемной стороне сигнал преобразуется в сообщение. Система ПДС обеспечивает доставку сигнала из одной точки пространства в другую с заданными качественными показателями. Система передачи сообщений, в состав которой входят преобразователи сообщение-сигнал-сообщение, приведена на рис.1.2.
Преобразователь сообщения в сигнал
Система ПДС
Преобразователь
сигнала в сообщение
ИС
ПС
Рис.1.2
Различаются два вида дискретных сигналов: дискретный сигнал непрерывного времени и дискретный сигнал дискретного времени.
Дискретные сигналы непрерывного времени могут изменяться в произвольные моменты времени, но их величины принимают только разрешенные (дискретные) значения.
Дискретные сигналы дискретного времени (сокращенно дискретные) в дискретные моменты времени могут принимать только разрешенные (дискретные) значения.
Сигналы, формируемые на выходе преобразователя дискретного сообщения в сигнал, как правило, являются по информационному параметру дискретными, т.е. описываются функцией дискретного времени и конечным множеством возможных значений.
В технике передачи данных такие сигналы называют цифровыми сигналами данных (ЦСД). Рассмотрим далее основные определения, относящиеся к ЦСД.
Параметр сигнала данных, изменение которого отображает изменение сообщения, называется информационным параметром.
Элементы ЦСД
U1
д
б
а
в
г
ж
е
з
t
ЗИ
ЗМ
Рис. 1.3
На рис.1.3 изображен ЦСД, информационным параметром которого является амплитуда, а множество возможных значений этого параметра равно двум (u=U1 и u=0).
Часть цифрового сигнала данных, отличающаяся от остальных частей значением одного из своих информационных параметров, называется элементом ЦСД.
Фиксируемое значение состояния информационного параметра сигнала называется значащей позицией. Момент, в который происходит смена значащей позиции сигнала, называется значащим моментом (ЗМ). Интервал времени между двумя соседними значащими моментами сигнала называется значащим интервалом времени (ЗИ).
Минимальный интервал времени которому равны значащие интервалы времени сигнала, называется единичным интервалом (интервал а-б, б-в и другие на рис.1.3).
Элемент сигнала, имеющий длительность, равную единичному интервалу времени, называется единичным элементом (е.э.).
Различают изохронные и анизохронные сигналы данных. Для изохронного сигнала любой значащий интервал времени равен единичному интервалу или их целому числу. Анизохронными называются сигналы, элементы которых могут иметь любую длительность, но не менее, чем мин. Другой особенностью анизохронных сигналов является то, что они могут отстоять друг от друга во времени на произвольном растоянии.