Глава 6 Борьба с помехами
Под помехой понимается стороннее возмущение, мешающее однозначному взаимодействию пары «источник-приемник».
Приведем практические примеры. Акустический (звуковой) канал: два собеседника общаются между собой на общем фоне акустических помех (другие собеседники, прочие звуковые шумы, удаленность собеседников). Как обеспечить помехоустойчивость? Можно повышать мощность сообщения или повторять переданное сообщение, или собеседник должен дать понять, что все понял правильно.
Все эти способы входят в теорию помехоустойчивого приема и интенсивно используются на практике.
В принципе вся группа методов борьбы с помехами может разделиться на три подгруппы:
– энергетические методы, повышающие соотношение сигнал/шум;
– информационные методы, основанные на введение избыточности в сообщения;
– структурные методы, опирающиеся на протоколы взаимодействия источников и приемников сообщений.
На практике используются все три метода, и их комбинация дает приемлемый результат. К сожалению, гармонизации этих методов не существует по разным причинам, что предполагает в будущем прогресс в области теории передачи информации.
6.1. Энергетические методы
Энергетические методы сводятся к повышению отношения сигнал-шум. В целом это проблема, решавшаяся на протяжении всего ХХ века и имеющая множество практических решений. В силу недостаточности допустимого объема пособия вкратце рассмотрим эти положения и приемы.
Определим вначале мощность полезного сигнала Р(Тр), где Тр– интервал реализации. В ряде практических приложений он может выбираться как время сеанса связи, длительность пакета при пакетных взаимодействиях, время передачи кода.
В этих условиях мощность полезного сигнала:
|
|
(6.1) |
Здесь
– амплитуда полезного сигнала в функции
времени.
В
качестве помехи наиболее часто используют
белый шум, который оценивается единственным
количественным показателем: дисперсией
.
Тогда соотношение сигнал/шум представляется
в виде отношения:
|
|
(6.2) |
Основная цель помехоустойчивых передачи и приема состоит в том, чтобы при заданной мощности обеих составляющих обеспечить максимальную достоверность приема. Ограничение на уровень помех определяется главным обстоятельством: это внешний фактор, на который по определению влиять невозможно. Например, если источником помех является солнечный ветер, естественный фон Земли или тепловые шумы оборудования, они регулировке не поддаются.
Ограничение на мощность полезного сигнала определяется разумной состоятельностью: обеспечение гарантированного приема при заданных ограничениях на вероятности ошибок.
При построении моделей помехоустойчивости в последнее время делается упор на обеспечение оптимальных условий приема при заданном уровне помех (в том числе случайных во времени). Эта задача входит в международные стандарты качества связи под общей аббревиатурой QoS (Quality of Service). В задачи пособия входит, в том числе, описание алгоритмов помехоустойчивости.
Первая градация алгоритмов помехоустойчивого приема приведена на рис. 6.1. Она соответствует глобальной технической революции, происходившей на протяжении всего ХХ века и породившей современное состояние цивилизации.
Рис. 6.1. Основной классификатор помехоустойчивого взаимодействия
Первая ветвь обеспечения соотношения (6.2) связана с энергетическими методами приема. В данной ветви классически различают поэлементный прием и прием в целом. В первом случае считается, что каждый разряд двоичного кода не зависит от других разрядов и воспринимается как отдельная единица в потоке бит. Такая оценка считается пуассоновским потоком и является наиболее оптимистической. Она была принята в первой половине ХХ века и включала специфические приемы повышения соотношения (6.2).
Вторая ветвь повышения помехоустойчивости возникла в середине прошлого века и связана в основном с трудами Хемминга. Первые его публикации породили семейство корректирующих кодов, лежащих в основе всех методов помехоустойчивого приема.
Третья ветвь, согласно структуре рисунка 6.1, названа структурными методами и соотносится со сложившейся практикой повышения помехоустойчивости.
Рассмотрим более подробно каждую из ветвей. Первая основана на физическом использовании свойств канала связи и в качестве основной методики применяет механизмы снижения уровня помех на уровне приемника.
На данном уровне различают классические аналоговые методы и структуры, а также приемы, основанные на обработке и восстановлении двоичных сигналов. Это соответствует энергетической группе помехоустойчивых методов взаимодействия.
Рассмотрим вначале классические методы помехоустойчивого взаимодействия. На первом этапе они включали основные методы подавления помех и были рассчитаны на объективные показатели, не зависящие от свойств канала связи и информационного объекта. К этой группе относятся приемники непрерывных и импульсных сигналов (см. рис. 6.1).
Первая группа средств помехоустойчивого приема рассчитана в основном на то, что математические свойства сигнала и помехи описываются с позиций классической теории случайных процессов. Кроме того, считается, что сигнал и помеха независимы так же, как и отдельные состояния этих процессов.
При такой постановке задачи возможны следующие методики повышения соотношения сигнал-шум:
– перенос спектра в область, наименее подверженную влиянию помех;
– подавление помех аппаратными и математическими методами;
– использование элементов искусственного интеллекта.