1.3.2 Преобразование цифра-аналог и восстановление континуального сигнала

Обратное преобразование сигнала из цифровой в континуальную форму производится с помощью двух устройств: ЦАП и синтезирующего фильтра.

В ЦАП имеется набор источников фиксированных напряжений, соответствующих каждому из r разрядов, и устройство для синхронного подключения (или отключения) этих напряжений к сумматору в зависимости от поступающих из АЦП символов (имеется в виду схема на рис. 1.11, а). Напряжение на выходе ЦАП максимальное, когда со всех элементов поступают единицы. Пусть, например, число разрядов r=4 и, следовательно, число дискретных уровней L=2⁴=16, а максимальное напряжение сигнала условно равно 1 В. Тогда цена самого младшего разряда 1/16 В, следующего за ним 1/8 В, затем 1/4 и 1/2 В. При кодовом слове, поступающем от АЦП в виде 0,1111, напряжение на выходе ЦАП будет 1/2+1/4+1/8+1/1=15/16 В (максимальное значение), а при слове 0,0001 1/16 (минимальное значение). Кодовому слову 0,0010 соответствует напряжение 2/16 В, слову 0,1000 1/2 В и т. д.

Рис. 1.14. Выборки в виде прямоугольных импульсов

Рис 1.15. Тактовый импульс

Указанные напряжения поддерживаются на выходе ЦАП в течение времени τ₀ <T, а иногда вплоть до поступления новой кодовой группы (τ₀=Т). В результате при фильтрации сигнала s(t) на выходе ЦАП появляется напряжение в виде импульсной последовательности, представленной на рис. 1.14 (при τ₀ < Т). Амплитуды прямоугольных импульсов равны соответствующим отсчетам, поступающим (в закодированном виде) от АЦП.

Спектр такой последовательности имеет сложную структуру. Фильтр на выходе ЦАП с полосой пропускания, меньшей или равной частоте f₁/2 (где f₁=1/Т - частота повторения импульсов), выделяет основной частотный интервал, в котором содержится вся информация о сигнале s (t) (спектр которого должен быть не шире f_m=f₁/2). На этом и заканчивается процедура восстановления континуальной формы профильтрованного сигнала. Следует, однако, иметь в виду, что спектр последовательности «толстых» импульсов, показанных на рис. 1.14, может существенно отличаться от спектра для тонких импульсов (теоретически δ-функция).

1.4 Кодирование информации в системах связи

1.4.1 Назначение и классификация кодов

В этой главе рассматривается кодирование сообщений, передаваемых в дискретном канале, или кодирование в узком смысле. Дискретный канал образуется из непрерывного путем включения в канал модема. На вход модулятора и с выхода демодулятора поступают дискретные кодовые символы (например, в форме импульсов), одинаковые или различные. Будем обозначать кодовые символы числами 0, 1, ..., q—1, где q — основание кода.

Пусть источник выдает некоторое дискретное сообщение а, которое можно рассматривать как последовательность кодовых символов сообщений a_i (i=0, 2, ..., n-1). Совокупность кодовых символов {a_i} — алфавит источника. Кодирование заключается в том, что последовательность кодовых символов источника а заменяется кодовым словом, т. е. последовательностью b кодовых символов. Такое преобразование сообщения в кодовое слово (если не учитывать воздействия помех), как правило, является взаимно-однозначным, что и позволяет осуществить декодирование, т. е. восстановить сообщение по принятому кодовому слову.

В простейшем случае, когда объем алфавита источника m равен основанию кода q, можно сопоставить каждый кодовый символ букве источника. На практике применяют более сложные коды, основное назначение которых заключается в согласовании источника сообщений с дискретным каналом по объему алфавита и по избыточности.

Согласование по объему необходимо во всех случаях, когда объем алфавита источника m не совпадает с количеством различных символов n, для передачи которых пригоден используемый дискретный канал. Чаще всего m>n, так что каждый знак источника кодируется несколькими последовательными кодовыми символами. Так, например, в простейшем телеграфном коде Бодо каждая буква русского алфавита кодируется кодовым словом из пяти двоичных символов (0 и 1); в телеграфном коде Морзе на каждую букву алфавита затрачивается от двух до шести символов, принимающих значения «точка», «тире» и «пробел».

Остановимся подробнее на согласовании источника с каналом по избыточности. Пусть случайное сообщение А заменяется кодовой последовательностью В. Поскольку считаем кодирование обратимым, то получаем

, (1.32)

где I(А, В) — количество информации в кодовой последовательности относительно сообщения; H(А) — энтропия сообщения; Н(В) — энтропия кодовой последовательности. Следовательно, энтропия при кодировании не изменяется..

Иначе обстоит дело с избыточностью, определяющей соотношение между энтропией и ее максимальным значением (при данном алфавите). Избыточность может при кодировании как возрастать, так и уменьшаться.

Пусть, например, избыточность источника велика, т. е. . Тогда может стоять задача о таком кодировании, при котором избыточность уменьшается (в предельном случае вовсе устраняется). Такое кодирование называется эффективным кодированием. Эффективное (или экономное) кодирование позволяет увеличить скорость передачи сообщений по каналу с ограниченной пропускной способностью. В частности, осмысленный русский текст можно передавать, затрачивая всего лишь 1,5 двоичных символов на букву, вместо пяти при равномерном коде.

Отметим некоторые свойства кодовой последовательности, в которой полностью устранена избыточность. В любом месте такой последовательности все символы появляются равновероятно и независимо от значений других символов. В противном случае энтропия на символ последовательности не имела бы максимального значения log m т, т. е. существовала бы остаточная избыточность. Отсюда следует, что и все последовательности символов произвольно заданной длины п равновероятны. Предположим, что при передаче такой кодовой последовательности под воздействием помех возникли ошибки. (Принятая ошибочная последовательность кодовых символов соответствует ошибочной последовательности сообщений, которая, однако, имеет .ту же вероятность, что и 'правильная. Никаких признаков ошибочности принятая последовательность не может иметь. При передаче безызбыточных сигналов по каналу с ошибками любая принятая последовательность соответствует возможному сообщению, но полной уверенности в том, что именно это сообщение передано в действительности, у получателя нет. Ошибочный прием всего лишь одного кодового символа может изменить до неузнаваемости переданное сообщение. Поэтому эффективное кодирование используют в чистом виде только тогда, когда кодовая последовательность не подвергается воздействию помех.

Избыточность в передаваемом сообщении позволяет в некоторых случаях обнаруживать и исправлять ошибки. Искаженная кодовая последовательность может иметь нулевую или очень близкую к нулю вероятность, что указывает на наличие ошибки. Если определить, какая из возможных переданных последовательностей наиболее правдоподобна, можно во многих случаях ошибки исправить.

Если при кодировании не устранять, а вводить избыточность, то должны увеличиться возможности обнаружения и исправления ошибок. Такое кодирование называют помехоустойчивым, или корректирующим..

При помехоустойчивом кодировании чаще всего считают, что избыточность источника на входе кодера R=0. Для этого имеются следующие основания: во-первых, очень многие дискретные источники (например, информация на выходе ЭВМ) обладают малой избыточностью; во-вторых, если избыточность первичных источников существенна, она обычно порождается сложными связями, которые в месте приема трудно использовать для повышения верности. Разумно поэтому в таких случаях по возможности уменьшить избыточность первичного источника путем эффективного кодирования, а затем методами помехоустойчивого кодирования внести такую избыточность в сигнал, которая позволит достаточно простыми средствами поднять верность. Из сказанного видно, что экономное кодирование вполне может сочетаться с помехоустойчивым.

Коды можно классифицировать по различным признакам. Одним из них является основание кода q, или число различных используемых в нем символов. Наиболее простыми являются двоичные (бинарные) коды, у которых q = 2.

Далее коды можно разделить на блочные и непрерывные. Блочными называют коды, в которых последовательность элементарных сообщений источника разбивается на отрезки и каждый из них преобразуется в определенную последовательность (блок) кодовых символов {b_i}, называемую кодовой комбинацией или кодовым словом b_i (i=1, 2, 3, ..., n-1). Непрерывные коды образуют последовательность символов {b_i}, не разделяемую на последовательные кодовые комбинации: здесь в процессе кодирования символы определяются всей последовательностью элементов сообщения.

В настоящее время на практике чаще используют блочные коды, равномерные и неравномерные. В равномерных кодах, в отличие от неравномерных, все кодовые комбинации содержат одинаковое число символов (разрядов), передаваемых по каналу элементами сигнала неизменной длительности. Это обстоятельство существенно упрощает технику передачи и приема сообщений и повышает помехоустойчивость системы синхронизации. Число различных блоков М n-разрядного равномерного кода с основанием q удовлетворяет очевидному неравенству

(1.33)

Если в (1.33) имеет место равенство, т. е. все возможные кодовые комбинации используются для передачи сообщений, то в этом случае код называется простым, или примитивным, он не вносит избыточности и поэтому не является помехоустойчивым. Избыточностью равномерного кода R_κ называют величину

(1.34)

а относительной скоростью кода

(1.35)

Если все блоки равномерного кода передавать равновероятно и независимо друг от друга, то logM представляет собственную информацию (энтропию), приходящуюся на каждый блок.

В дальнейшем будем рассматривать главным образом двоичные коды (q = 2).