Радиотехнические системы передачи информации

1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение выс-

шего профессионального образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И

РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

КАФЕДРА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ (РТС)

Ю.П. Акулиничев, А.С. Бернгардт РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Учебное пособие

Томск 2015

1

2

Ю.П. Акулиничев, А.С. Бернгардт.

Радиотехнические системы передачи информации: Учебное пособие. –

Томск: 2015. -196 с.

Рассматриваются общие положения статистической теории передачи сигналов. Вводятся математические модели сигналов и помех, описаны основные преобразования, которым подвергаются сигналы в процессе их передачи и приема. Рассмотрены базовые элементы устройств, осуществляющих указанные преобразования. Рассмотрены также базовые методы аналоговой и цифровой модуляции, используемые в современных системах передачи информации. Большое внимание уделено вопросам кодирования сигналов: для сокращения избыточности или для повышения помехозащищенности. Освещены методы приема сигналов в когерентных и некогерентных системах связи при наличии шума, а также в условиях многолучевости. Дан анализ методов многостанционного доступа с частотным, временным и кодовым разделением каналов. Определены принципы обмена информацией в телекоммуникационных сетях.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки (специальность) – 11.04.01 — "Радиотехника".

Магистерская программа подготовки: «Радиоэлектронные устройства передачи информации».

Форма обучения – очная

3

1.2Цифровые сигналы..…………………………...………………............ 9

1.3Дискретные сигналы..……………………...………………...……….. 12

1.4Непрерывные сигналы..…………………...……………………..….... 14

2.1Модель системы передачи информации..……...……………………. 24

2.2Элементы преобразователей..……………..…………………………. 30

2.6Аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразования..……….…. 37

2.7Линейная цифровая фильтрация и генерирование

2.8Модуляция гармонической несущей цифровым сигналом..……….. 44

2.9Корреляционный прием и согласованная фильтрация..……………. 51

3.2Линейные блочные коды ………………………..………………….... 67

3.3Коды Xэмминга …………………………………..…………………... 74

3.4Циклические коды …………………………………............................. 76

4.3Взаимная информация ……………………………………….….….... 104

4.4Пропускная способность канала и теоремы о кодировании в

6

6.4 Многостанционный доступ с кодовым разделением каналов…...… 148

6.5Синхронизация в СПИ с многостанционным доступом....……….... 150

6.6Расширение спектра сигнала…………………………………………. 155

7 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ……….... 160

7.1Определения, классификация, структуры сетей……………………. 160

7.2Коммутация каналов и коммутация пакетов.……………………….. 161

7.3Центры коммутации…………..…..………………………………..…. 165

7.4Дейтаграммный метод передачи и передача с предварительным

7

ВВЕДЕНИЕ

Считается, и не без оснований, что XXI век – это век информатизации. Поэтому знание фундаментальных закономерностей и методов передачи, преобразования и хранения информации для современного человека необходимо не менее чем знание основных законов физики, химии и других естественных наук. В подтверждение достаточно лишь отметить, что вся электронная аппаратура создается для передачи и обработки сигналов, несущих информацию. Исключения настолько редки, что придется хорошо подумать, чтобы привести хотя бы 2-3 соответствующих примера.

Системы передачи информации (СПИ) являются одной из самых динамичных отраслей мировой экономики. В указанных системах, особенно цифровых, воплощены практически все новейшие достижения науки и технологии, применяемые и в других радиотехнических системах. Нет ничего удивительного, что книги, содержащие более или менее связное описание лишь основных методов, имеют весьма солидный объем [1–3 и др.].

Данное учебное пособие предназначено для первого ознакомления с курсом

«Радиотехнические системы передачи информации».

Главная цель, которая преследовалась при выборе способа подачи материала – это максимальная доступность, иногда даже в ущерб строгости и полноте освещения отдельных вопросов. Если у читателя сложится цельное представление о предмете, о назначении и взаимосвязи применяемых методов, это будет хорошей базой для более детального изучения избранных тем по другой учебной и научной литературе.

Чтобы материал, представленный в книге, не воспринимался как простой набор фактов, необходимо подчеркнуть следующее.

Во-первых, начальный этап любого исследования, зачастую требующий наибольшей квалификации, – это систематизация и количественное описание того, что известно об объекте исследования. Для СПИ это означает разработку математических моделей сигналов и помех. Поэтому нет смысла приступать к изучению курса, не вспомнив хотя бы основные понятия теории вероятностей и теории электрических цепей и сигналов.

Во-вторых, прием сигналов всегда требует вынесения серии решений в условиях частичной неопределенности. Поэтому нужно осознать, что не каждое из этих принятых решений оказывается правильным, поэтому при выборе методов передачи и приема стремятся к тому, чтобы доля удачных решений была максимальной.

В-третьих, улучшение одних характеристик СПИ неизбежно сопровождается ухудшением других, поэтому никогда нельзя рассматривать лишь одну сторону медали. Таким образом, проектирование СПИ и ее элементов сводится к количественному обоснованию цепи компромиссных вариантов.

В теории СПИ очень широко используются различные математические

8

методы. Хотя следует признать, что количество основных идей не так уж велико. Поэтому за всеми математическими выражениями не мешало бы прежде всего разглядеть соответствующую идею. Недаром же большинство лучших современных методов обработки сигналов первоначально было предложено практиками на основе инженерной интуиции, и лишь потом математики строго обосновали их оптимальность.

Нет сомнения, что знание основ теории и техники систем передачи информации существенно облегчит освоение последующих специальных курсов. Формы разные, но суть одна – передача информации!

9

1 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СИГНАЛОВ И ПОМЕХ

1.1 Информация и сигналы

Невозможно дать строгое и полное описание любого из природных объектов или явлений. Поэтому любое грамотное исследование всегда начинается с построения его математической модели. Это – упрощенное количественное описание объекта или явления, пригодное для решения конкретной задачи. Ясно, что различным задачам могут удовлетворять совершенно разные модели одного и того же явления.

В связи с этим сомнительно, что кто-то может дать строгое и удовлетворяющее всех определение понятия “информация”. Принято считать, что

информация – это сведения, знания, новости, идеи и т.п. независимо от формы их представления.

Считают также, что информация – не материя, т.е. наличие её невозможно обнаружить с помощью органов чувств или приборов.

Ещё полагают, что информация – не энергия, поскольку она, в отличие от энергии, не может проявлять себя, превратившись в работу.

Чтобы не создалось впечатление, что весь курс будет посвящен изучению способов передачи чего-либо бестелесного, дадим ещё одно определе-

ние. Сигнал – это материальный переносчик информации, и информация, в

нем содержащаяся, трансформируется в изменение некоторых свойств этого материального объекта. Поэтому вполне естественно, что изучение закономерностей передачи информации мы, из соображений наглядности, зачастую будем заменять изучением свойств сигналов в процессе их передачи от источника к получателю.

Итак, ясно, что передача информации невозможна без передачи сигналов. Обратное утверждение справедливо далеко не всегда. Если сведения, содержащиеся в сигнале, уже достоверно известны получателю, такой сигнал не несёт информации. С другой стороны, для менее информированного получателя тот же сигнал может содержать информацию.

Следовательно, информация – адресное понятие. Всегда можно указать два конечных объекта в цепи преобразований сигнала. Это – источник информации и получатель. Источник информации – это объект, текущее состояние которого X интересует получателя. Передаваемое сообщение X, трансформируясь в процессе передачи из пункта, где расположен источник, в пункт, где расположен получатель, превращается в итоге в принимаемый сигнал Y. Получатель, наблюдая конкретную реализацию y, пытается определить, каково конкретное значение сообщения x.

Отсюда видно, что у получателя всегда должна быть хотя бы некоторая неопределенность относительно текущего состояния источника X. Если такая неопределенность отсутствует (источник гарантированно должен быть в

10

единственном состоянии xо, и получателю это уже известно), тратить ресурсы на прием сигнала y нет смысла (следовательно, и изучать в этой ситуации нечего).

Удобный математический аппарат для описания объектов, ожидаемое состояние которых является неопределенным, дает теория вероятностей. Поэтому при рассмотрении СПИ все сигналы в цепи, связывающей источник X с получателем Y, рассматривают как взаимозависимые случайные объекты.

Напомним важнейшие понятия теории вероятностей. Опыт — это совокупность действий, выполняемых по заранее оговоренным либо общепринятым правилам, например, подбрасывание монеты; извлечение карты из колоды; наблюдение погоды в конкретный день и час; измерение напряжения в конкретной точке устройства и т.д. Событие А называется случайным со-

бытием, если при проведении опыта оно может произойти, а может не произойти, причем исход заранее неизвестен. Примеры: выпадение герба при подбрасывании монеты; извлечение из колоды бубновой десятки; снегопад в полдень 20 января 2010 года; величина напряжения меньше 2 В.

Вероятность p( A) события А — это число, характеризующее степень возможности появления этого события. Событие называется неслучайным (детерминированным), если (это невозможное событие) либо

(это достоверное событие). Для случайного события Для некоторых событий вероятность их появления можно точно ука-

зать сразу на основе теоретических предпосылок. Например, вероятность выпадения герба равна 0,5. Для многих других событий остается лишь экспериментальный способ оценки вероятности, т.е. p(A J ) m / n , где n — общее ко-

личество проведенных опытов; m — количество опытов, в которых появилось событие А. Очевидно, что точность оценки возрастает при увеличении количества опытов n.

Как правило, бывают известны последствия, которые повлечет за собой появление (и непоявление) события А, поэтому естественно желание заранее, до проведения опыта принять решение относительно того, как наилучшим образом подготовиться к преодолению этих последствий. Проблема в том, что способы подготовки к обоим исходам могут быть диаметрально противоположными, исключающими друг друга. Например, если p(A) 0,98 , то мы, скорее всего, примем решение готовиться к тому, что событие А появится.

Конечно, мы можем ошибиться в своих прогнозах. Тем не менее, правильность избранной стратегии подтверждает следующее соображение. Если будем следовать ей при проведении большого количества опытов, то начинает работать закон больших чисел и проявляются некоторые закономерности. В нашем примере при проведении n = 10000 опытов событие А появится примерно m = 9800 раз и не появится всего в 200 опытах.