10.ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

10.1.Критерии оценки эффективности информационных систем

Под эффективностью в широком смысле понимают степень ис­ пользования каких-то материалов, средств, ресурсов, времени и т.д. В системах связи основными ресурсами можно считать пропускную способность канала С, ширину полосы частот F , мощность сигнала Р . Для оценки степени их использования удобно сравнивать сх со ско­ ростью передачи информации R.

Так, при проектировании системы передачи информации естест­ венно стремиться к тому, чтобы при ее функционировании были на­ иболее полно реализованы потенциальные возможности ее составных частей и в первую очередь возможности канала связи.

Для этого, как правило, требуется согласование физических и ста­ тистических характеристик источника сообщений и канала связи, ка­ нала связи и приемного устройства.

Например, при заданной верности передачи информации полоса частот сообщения не должна превосходить полосы пропускания кана­ ла связи, производительность источника сообщений не должна быть больше пропускной способности канала передачи и т. д.

Наиболее общей оценкой эффективности системы связи является

коэффищент использования пропускной способности канала

( > = £ • о с п

который называется информационной эффективностью. В реальных каналах значение коэффициента эффективности передачи изменяется

впределах 0 < р < 1.

Сцелью повышения эффективности передачи информации проводит­

ся согласование источника сообщений с каналом связи. О качестве согла­ сования можно судить по степени близости коэффициента р к единице. ф В системах с ограниченной полосой, например кабельных, важ­ ной характеристикой является коэффициент использования ширины

полосы частот канала F

который называют частотной эффективностью.

В ряде практических случаев удобной оценкой является коэффи­ циент использования мощности сигнала Ps при спектральной плот­

Ъ / К

который называется энергетической эффективностью. Этот коэффи­ циент играет важную роль в тех случаях, когда мощность передатчика жестко ограничена (например, в системах космической связи).

Коэффициент |3 играет большую роль при сравнительной оценке и энергетическом расчете радиоканалов с очень большими потоками инфор­ мации. Он показывает, во сколько раз средняя мощность сигнала должна превышать среднюю мощность помех для обеспечения заданной скорости передачи информации на 1 Гц полосы частот, занимаемой в канале связи.

В системах проводной связи более важным показателем является коэффициент у.

Часто эффективность информационных систем характеризуют ко­ эффициентом

^ ■ ж получившим название удельной содержательности сигнала, определяю­

щим количество информации в единице объема сигнала. Здесь Г - время передачи сигнала; 1Т- количество информации, передаваемой за время Г.

В табл. 10.1 приведены типовые значения скорости передачи ин­ формации и удельной содержательности сигнала для наиболее рас­ пространенных видов связи [2].

Как видно из таблицы, наибольшим быстродействием из приве­ денных в ней систем передачи информации обладает телевидение, но

наиболее экономичной системой является телефон.

Приведем также результаты расчета коэффициентов эффектив­ ности по (10.1), (10.2) и (10.3) для некоторых систем передачи непре­ рывных первичных сигналов при значении отношения сигнал-помеха на выходе демодулятора рвх = 40 дБ и ширине полосы частот канала F (табл. 10.2). При расчетах полагалось, что во всех системах передается один и тот же первичный сигнал с максимальной частотой F и коэф-

фициентом амплитуды К к = 3; прием оптимальный.

Анализ данных табл. 10.2 показывает, что наибольшая инфор­ мативная и частотная эффективность достигаются при ОМ. Однако выигрыш и энергетическая эффективность при этом сравнительно низкие, поэтому во многих случаях предпочтительней является ИКМФМн или другие широкополосные модуляции.

Из простых систем передачи дискретных сообщений по дискретному каналу наиболее эффективная двухкратная фазовая манипуляция ФМн-4 (у = 2, р = - 9,6 дБ, ц = 0,47). В спутниковых сетях ФМн-4 является наибо­ лее распространенной и принята в качестве стандарта. Применяя другие методы модуляции и кодирования, можно, например, увеличить энерге­ тическую эффективность за счет снижения частотной эффективности, и наоборот. Получить одновременно лучшие показатели по всем коэффи­ циентам эффективности можно только при сложных сигналах и кодах.

Рассмотренные коэффициенты эффективности указывают на техни­ ческие преимущества определенной системы связи. Однако не следует считать, что они полностью определяют целесообразность применения

того или иного метода модуляции или кодирования. Так, системы с ОМ имеют наилучшие т\и у эффективности, и ОМ следовало бы широко при­ менять. Но синхронное детектирование ОМ сигналов с автоподсгройкой частоты технически трудно выполнить, поэтому при организации систем связи необходимо учитывать также экономические показатели.

10.2. Способы повышения эффективности информационных систем

Согласно выражению для коэффициента использования канала т|, эффективность системы связи полностью определяется величиной ее избыточности. Отсюда задача повышения эффективности связи сво­ дится к задаче уменьшения избыточности сообщения и сигнала. При наложении ограничений на физические параметры сигнала (мощ­ ность, частоту, длительность) для повышения эффективности системы передачи информации необходимо повышать энтропию сообщений. Энтропия сообщений зависит от закона распределения вероятностей. Следовательно, для повышения эффективности необходимо осущест­ вить перераспределение плотностей вероятностей элементов сообще­ ния. (Избыточность сообщения, как мы видели, обусловлена тем, что элементы сообщения не являются равновероятными и между ними имеется статистическая связь.) При кодировании можно перераспре­ делить вероятности исходного сообщения так, чтобы распределение вероятностей символов кода приближалось к оптимальному (к равно­ мерному в дискретном случае или к нормальному при передаче непре­ рывных сообщений). Такое перераспределение позволяет устранить избыточность, зависящую от распределения вероятностей элементов сообщения. Очевидно, наибольшую эффективность системы даст код, при котором среднее количество кодовых символов, приходящееся на один элемент сообщения, будет минимальным. Примером подобного кодирования является код Ш еннона-Фано, рассмотренный в 7.5.

Если перейти от кодирования отдельных символов сообщения к коди­ рованию целых групп символов, то можно устранить взаимосвязь между ними и тем самым еще уменьшить избыточность (т.е. повысить эффек­ тивность информационной системы за счет декорреляции сообщений). Общая идея такого кодирования, который называют методом укрупнения,

хоустойчивости систем.

Устранение избыточности повышает эффективность передачи, H Q

снижает при этом достоверность (помехоустойчивость), и наоборот, со­ хранение или введение избыточности позволяет обеспечить высокую до­ стоверность передачи. Например, при телеграфной передаче текста устра­ нение избыточности приводит к тому, что становится труднее исправлять ошибки в сообщении и в конечном счете снижает помехоустойчивость. При сохранении избыточности в тексте помехоустойчивость будет выше.

При кодировании в ряде случаев избыточность специально вво­ дится с целью повышения достоверности передачи. Примером такого кодирования являются корректирующие коды, которые рассматрива­ ются в соответствующих курсах.

Аналогичная ситуация имеет место и в отношении избыточнос­ ти сигнала. Частотная избыточность при различных видах модуляции используется по-разному. При частотной модуляции, например, мы можем получить больший выигрыш в помехоустойчивости, чем при амплитудной модуляции, а при кодовой импульсной модуляции этот выигрыш еще больше. Частотная избыточность шумового переносчи­ ка позволяет снизить влияние замираний и сосредоточенных помех.

Следовательно, при оценке различных систем связи необходимо учитывать, по крайней мере, два показателя: эффективность и помехо­ устойчивость, совокупность этих двух показателей составляет доста­ точно полную характеристику системы.

Наиболее совершенной системой считается такая, которая обеспе­ чивает наибольшую эффективность при заданной помехоустойчивос­ ти или, наоборот, обеспечивает наибольшую помехоустойчивость при заданной эффективности.

Контрольные вопросы

1.Дайте определение информационной, энергетической и часто­ тной эффективности системы передачи информации.

2.Как зависит эффективность системы передачи информации от избыточности сообщений?

3.В чем сущность метода повышения эффективности систем за счет перераспределения плотностей вероятностей элементов сообщения?

4.Как влияет корреляция между элементами сообщений на эф­ фективность системы передачи информации?

11. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

11.1.Общая характеристика помех и искажений

вканалах связи

Вреальном канале сигнал при передаче искажается, и сообщение вос­ производится с некоторой ошибкой. Причиной таких ошибок являются ис­ кажения, вносимые самим каналом, и помехи, воздействующие на сигнал.

Частотные и временные характеристики канала определяют так называемые линейные искажения. Кроме того, канал может вносить и нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью тех или иных его звеньев. Как линейные, так и нелинейные искажения обусловлены известными характеристиками канала и поэтому, в принципе, могут быть устранены путем надлежащей коррекции.

Следует четко отделять искажения от помех, имеющих случайный характер. Помехи заранее неизвестны и поэтому не могут быть полно­ стью устранены.

Под помехами понимаются любые возмущения в канале передачи информации, вызывающие случайные отклонения принятого сообще­ ния от переданного и затрудняющие его прием.

Откуда же берутся помехи и как они попадают в приемник? При­ ведем всем известный пример. В комнате прослушивается магнито­ фонная запись. Но слушатель воспринимает не только записанную музыку (полезное сообщение), но и разговоры соседей, и шум транс­ порта с улицы, и звуки из соседней комнаты, и т. д. Это все помехи. Точно так же и в любом канале электросвязи. Современный мир полон не только звуков, но и электромагнитных колебаний естественного и искусственного происхождения. Они везде и всюду. Часть из них, ко­ нечно, теми или другими путями проникает на вход приемника, хотя мы и пытаемся этому препятствовать.

Помехи весьма разнообразны как по своему происхождению, так

ипо физическим свойствам. Иногда помехи резко отличаются от сиг­ нала, иногда даже трудно определить, где сигнал, а где помеха. Вдруг

втелефоне слышно два разговора. Надо время, чтобы различить, где полезный сигнал, а где случайно подключившаяся «помеха». В то же время эта «помеха» - полезный сигнал для другого абонента.

Классификацию помех можно провести по следующим признакам:

-происхождению (месту возникновения);

-физическим свойствам;

-характеру воздействия на сигнал.

По происхождению в первую очередь надо отметить внутренние помехи, например, внутренние шумы аппаратуры, входящей в канал связи, обусловленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, сопротивлениях и других элементах. Это так называемые тепловые шумы. Квадрат эффективного напряжения теп­ лового шума на сопротивлении R определяется известной формулой Найквиста:

где Т - абсолютная температура сопротивления R; F - полоса частот;

R = 1,37* 10'23 В-с/град - постоянная Больцмана.

Как следует из (11.1), эти шумы принципиально устранимы толь­ ко при абсолютном нуле (Т = О К).

Среди внешних помех, то есть помех от посторонних источников, находящихся вне канала связи, можно назвать:

-атмосферные помехи (грозовые разряды, полярные сияния и др.), обусловленные электрическими процессами в атмосфере;

-индустриальные помехи, возникающие в электрических цепях электроустановок (электротранспорт, электрические двигатели, меди­ цинские установки, системы зажигания двигателей и др.);

-помехи от посторонних станций и каналов, возникающие от раз­ личных нарушений режима их работы и свойств каналов;

-космические помехи, связанные с электромагнитными процес­ сами, происходящими на Солнце, звездах, галактиках и других вне­ земных объектах.

По физическим свойствам различают флуктуационные и сосредо­ точенные помехи.

Флуктуационными называют помехи, обусловленные флуктуа­ циями тех или иных физических величин. Название происходит от

физического понятия флуктуации (от лат. fluctuation - колебание) - случайные отклонения физических величин от среднего значе­ ния.

Для такой помехи характерно очень малое число выбросов, превы­ шающее средний уровень более чем в 3-4 раза. Но большие (в принципе, бесконечные) выбросы всегда имеются. Спектр помехи весьма широкий. Флуюуационные помехи проникают в систему связи не только извне, они зарождаются также внутри самой системы в различных ее звеньях.

Причинами внутренних флуктуационных помех являются в основ­ ном тепловой шум в проводниках и дробовый эффект в электронных при­ борах. К внешним флуюуационным помехам принято относить помехи космического происхождения, помехи, вызванные взаимными влияниями цепей в линиях связи (линейные и нелинейные переходы, попутный поток и некоторые другие). Хотя эти помехи по своему происхождению и не яв­ ляются строго фпукгуационными, но они обладают схожими признаками.

Мешающее воздействие флуктуационных помех зависит от харак­ тера передаваемого сообщения. В телефоне при речевом сигнале эта помеха прослушивается как звуковой шум, поэтому часто флуктуационную помеху называют флуктуационным шумом. На экране телевизора флуктуационные помехи вызывают размытость контуров и понижение контраста изображения, при телеграфной передаче - ошибочное при­ нятие знаков. Характерной особенностью флуктуационных помех яв­ ляется то, что явления, порождающие эти помехи, лежат в физической природе вещей (дискретное строение вещества, дискретная природа электромагнитного поля) и принципиально не могут быть устранены.

К сосредоточенным по времени (импульсным) помехам относятся помехи в виде одиночных коротких импульсов различной интенсив­ ности и длительности, следующих один за другим через случайные достаточно большие промежутки времени.

Причинами импульсных помех являются: грозовые разряды; радио­ станции, работающие в импульсном режиме; линии электропередачи и другие энергоустановки; система зажигания и энергообеспечения транс­ порта; перегрузки усилителей; плохие контакты в оборудовании и пита­ нии; недостатки разработки и изготовления оборудования; эксплуатацион­ ные работы (реконструкция, профилактика, подключение к действующему каналу измерительных приборов, ошибочная коммутация и т. п.).

К сосредоточенным по спектру помехам относятся помехи посто­ ронних радиостанций, генераторов высокой частоты различного назначе­ ния (медицинские, промышленные, бытовые и др.), переходные помехи от соседних каналов многоканальных систем. Обычно это гармонические

или модулированные колебания с шириной спектра, меньшей или соизме­ римой с шириной спектра полезного сигнала. В диапазоне декаметровых волн, например, они являются основными видами помех.

По характеру воздействия на сигнал различают аддитивные и мультипликативные помехи.

Аддитивной является помеха, мгновенные значения которой скла­ дываются с мгновенными значениями сигнала. Мешающее воздейс­ твие аддитивной помехи определяется суммированием с полезным сигналом. Аддитивные помехи воздействуют на приемное устройство независимо от сигнала и имеют место даже тогда, когда на входе при­ емника отсутствует сигнал.

Мультипликативной называется помеха, мгновенные значения которой перемножаются с мгновенными значениями сигнала. Ме­ шающее действие мультипликативных помех проявляется в виде изменения параметров полезного сигнала, в основном амплитуды. Мультипликативные помехи непосредственно связаны с процес­ сом прохождения сигнала в среде распространения и поэтому ощу­ щаются только при наличии сигнала в системе связи. Простейший пример - телефонная или радиотрансляционная линия с плохими контактами. Другим примером мультипликативной помехи явля­ ются интерференционные замирания сигнала при приеме на дека­ метровых волнах.

В реальных каналах электросвязи обычно имеет место не одна, а совокупность помех. Но все же основными можно считать флукгуационные помехи, воздействующие на сигнал как аддитивные.

Под искажениями понимают такие изменения формы сигнала, ко­ торые обусловлены известными свойствами цепей и устройств, по ко­ торым проходит сигнал. Главная причина искажений сигнала - пере­ ходные процессы в линии связи, цепях передатчика и приемника. При этом различают искажения: линейные, возникающие в линейных це­ пях; нелинейные, возникающие в нелинейных цепях. В общем случае искажения отрицательно сказываются на качестве воспроизведения сообщений и не должны превышать установленных значений (норм).

При известных характеристиках канала связи форму сигнала на его выходе всегда можно рассчитать по методике, изложенной в теории линейных и нелинейных цепей. А дальше измерение фор­ мы сигнала можно скомпенсировать корректирующими цепями

или просто учесть при дальнейш ей обработке в приемнике. Это уже дело техники. Другое дело помехи - они заранее неизвестны и поэтому не могут быть устранены полностью .

Борьба с помехами - основная задача теории и техники связи. Лю­ бые теоретические и технические решения о выполнении кодера и де­ кодера, передатчика и приемника системы связи должны приниматься с учетом того, что в линии связи имеются помехи.

При всем многообразии методов борьбы с помехами их можно свести к трем направлениям:

1.Подавление помех в месте их возникновения. Это достаточно эффективное и широко применяемое мероприятие, но не всегда при­ емлемое. Ведь существуют источник помех, на которые воздейство­ вать нельзя (грозовые разряды, шумы Солнца и др.).

2.Уменьшение помех на путях их проникновения в приемник. Следует отметить, что помехи обычно воздействуют на сигнал в среде распространения. Поэтому как проводные, так и радиолинии строятся так, чтобы обеспечить заданный уровень помех.

3.Ослабление влияния помех на принимаемое сообщение в при­ емнике, демодуляторе, декодере. Это возможно за счет применения специальных методов преобразования сигнала на передающей сторо­ не и анализа принимаемого сигнала. Для цифровых систем передачи основным способом ослабления воздействия помех является помехо­ устойчивое кодирование.

11.2. К ритерии оценки помехоустойчивости информационных систем

Под помехоустойчивостью понимают способность инфор­ мационной системы противостоять вредному действию помех. В результате действия помех принятое сообщение будет в какой-то мере отличаться от переданного. Поэтому помехоустойчивость можно характеризовать как степень соответствия принятого сооб­ щения переданному при заданной помехе. При сравнении несколь­ ких систем та из них будет более помехоустойчивой, которая при одинаковой помехе обеспечит меньшее различие между принятым и переданным сообщениями.

Имеется несколько способов введения количественных характерис­ тик помехоустойчивости. Рассмотрим сначала способы описания поме­ хоустойчивости дискретных систем. Эти системы характерны тем, что все возможные сигналы конечной длительности образуют дискретное конечное множество; пусть общее число возможных сигналов равно N. Действие шумов сводится к тому, что некоторые символы в сигнале подменяются другими, в результате чего вместо переданного (например, /-го) сигнала принимается другой (например, &-й) сигнал. Помехоустой­ чивость системы связи наиболее полно может быть охарактеризована набором вероятностей {Pik} того, что при передаче i-ro сигнала будет принят к-й (i,k = 1,2,...Д); и если мы хотим задать требования к поме­ хоустойчивости системы с учетом ценности каждого из сообщений в отдельности, то задание всей матрицы {P J необходимо.

Однако сравнение систем по их матрицам {Р.к} (которые можно назвать «стохастическими матрицами трансформации сообщений») связано с рядом затруднений, а часто и не необходимо: достаточно ввести более простые характеристики помехоустойчивости. К таким простым параметрам относится, например, средняя вероятность оши­ бочного приема, Рошср.:

1 - П ) . 0 1 - 2 )

1=1

где р - вероятность передачи /-го сигнала.

Другим собирательным параметром, характеризующим помехоус­ тойчивость системы, может служить остаточная средняя неопределен­

Для непрерывных систем связи описание помехоустойчивости требует специфического подхода, так как множество возможных сигналов даже конечной длительности несчетно. Действие шумов в линии связи сводится к тому, что вместо отправленного сигна­ ла x(t) на выходе премника наблюдается другая функция времени, у((). Чем ближе y(t) к x(t) при заданном шуме, тем более устойчи­ ва система по отношению к данной помехе. Для количественного описания помехоустойчивости необходимо ввести меру различия двух функций: x(i) и y(t). Чащ е всего в качестве такой меры при­ нимается средний квадрат разности сравниваемых функций: