Эффективность системы связи

Для оценки качества работы используют показатели связанные с затратами.

Затраты:

1)энергетические;

2)полоса частот ;

3)стоимость аппаратуры;

4)массогабаритные и т.д.

Совокупность свойств характеризующих экономичность системы с точки зрения затрат называют эффективность системы связи.

Для выбора системы связи по эффективности используют критерии, при этом учитывают определённые заранее установленные ограничения на некоторые параметры и характеристики системы связи.

Критерий удельных затрат- это такие критерии, в соответствие с которыми системы связи оцениваются величиной затрат на передачу 1 бита информации при заданной достоверности.

-удельная энергетическая затрата, где

-энергия сигнала на входе приёмника затраченная на передачу 1 бита;

-спектральная плотность помехи.

-удельная затрата полосы, где

-эквивалентная полоса пропускания системы связи;

R-скорость передачи (бит*сек).

Значение и можно рассматривать как показатели работы системы связи.

3.Классификация систем и линий передачи информации.

Признаки классификации:

1)область применения (телефонные системы, передача данных, телевидение, телеметрия);

2)по форме сообщения (дискретные, непрерывные);

3)по виду линейного сигнала (непрерывная, импульсная);

4)по диапазону рабочих частот и ширине полосы (узкополосные, широкополосные);

5)по виду связи (стационарные, мобильные);

6)по принципу уплотнения и разделения (временное, частотное, по коду).

Все системы связи делятся на две группы:

1)системы со свободным распространением сигналов.

a ~ ;

Уровень рассеяния сигнала пропорционален квадрату расстояния между передатчиком и приёмником (радиотехнические).

2)системы с направленным распространением сигналов.

Принудительное распространение сигнала. Для этого используется устройства. Энергия в них не рассеивается, а поглощается направляющем устройством. Системы стабильны, являются идеальными с точки зрения достоверности. Идеальное решение проблемы электромагнитной совместности- высокая пропускная способность. Однако, эти системы очень дороги, требуют создания усилительных ретрансляционных пунктов.

Проблемы:

1)проблемы электромагнитной совместимости, действие помех;

2)высокая экономичность, гибкость, мобильность.

Системы со свободным распространением сигналов делятся на:

1) системы с постоянными параметрами- системы, в которых параметры сигнала проходя через среду распространения не претерпевают существенных случайных изменений, за исключением фазы (системы радиорелейной связи, спутниковой связи – они работают в диапазоне сантиметровых волн).

2)системы со случайными параметрами – параметры сигнала изменяются про прохождение через среду. Эти изменения приёмника или в системах с отражённой или прямой волной (коротковолновые системы- сигналы претерпевают глубокие замирания).

4.Основные виды систем передачи информации.

При длине волны l=3-10 метров, радиосигналы хорошо отражаются от ионосферы, что позволяет распространяться им на 2000 км.

При l<3 метров радиоволны распространяются в пределах видимости.

Классификация волн:

Название радиоволны	Длина волны, l	Диапазон, f	Область применения
СДВ	10-100км	30-3кГц	РНС, РТЛТ, метео- подводная связь
ДВ	1-10км	30-300кГц	Радиовещание, РТЛТ, РНС
СВ	100-1000м	3000-300кГц	Так же как и в ДВ
КВ	10-100м	30-3МГц	Радиосвязь, РТЛТ, РВ, служебная связь
У Метровая	10-100см	3000-300МГц	Телевидение, РНС, ИСЗ
К Сантиметровая	1-10см	30-3ГГц	Так же как и в метровых
В Миллиметровая	1-10мм	300-30ГГц	TV, РНС, ИСЗ, РЛР

Атмосферные слои:

Тропосфера 16-18км;

Стратосфера 60-80 км;

Ионосфера >80 км;

d-слой 100км (ночью отсутствует);

E-слой 200км;

-слой 250км;

-слой 400 км.

Пути распространения волн. Распространение волн в прямой видимости основное распространение, уменьшает влияние различных радиосистем, позволяют использовать один и тот же диапазон в системах невидимости радиосигналов. Малый уровень промышленных атмосферных помех.

Возможность реализации малогабаритных антенн с узкой диаграммой направленности, что позволяет уменьшить влияние других радиосистем и понизить мощность радиопередатчика.

5.Радиорелейные линии связи.

Радиорелейные линии связи- основной вид радиосвязи для передачи больших объёмовинформации, они передают весь спектр сообщений.

РРЛ- основной вид связи, который служит для обвязки сотовой станции. Длина волны сантиметровая (УКВ) в пределах видимости (50-70 км).

При комплексной связи на каждом ретрансляторе имеются две станции (передача и приём происходят на разных частотах). Недостаток двухчастотной передаче, является тот факт, что на приёмник одного направления может попасть сигнал с противоположного (борьба – установить ретрансляторы змейкой, бороться с боковыми лепестками). Для повышения эффективности и увеличение пропускной способности на одном ретрансляторе устанавливают несколько комплектов приёмных передатчиков, т.е. организуют несколько высоко частотных радиостволов. Диапазон работы современных радиорелейной радиосвязи f=1,2,4,6…16 ГГц.

6.Спутниковые системы связи.

1945-идея принадлежит Кларку;

1958-первые искусственный спутник земли связи с пассивными отражателями;

1962-первый искусственный спутник земли с ретранслятором на борту (Telstar)-низкогаборитный;

1963-первый нестационарный спутник (Syncom);

1965-геостационарный спутник – начало отсчёта спутниковой связи (Intersat).

Преимущества спутниковых систем связи:

1)линии связи обладают большой пропускной способностью;

2)они покрывают огромные расстояния;

3)высокая надёжность (помех практический нет).

Спутниковые системы связи уникальны и эффективны.

Виды искусственных спутников земли:

1)низкоорбитальные (500-600 км);

2)среднеорбитальные (от 5000 км);

3)геостационарные (36000 км).

Преимущество 3 вида искусственных спутников земли в том, что передача и приём сигнала возможны при неподвижных антеннах и высота такова, что спутники «виснут» и охватывают 1\3 поверхности Земного шара. Недостатки: в следствии большой высоты орбиты необходимо иметь антенны с большими коэффициентами усиления, кроме того нужно удерживать спутник на орбите, для чего на ИСЗ нужно иметь двигатели и систему управления (ресурс 5-7 лет).

Вероятность ошибки - , скорость передачи 10 мегабит\сек. Спутниковая связь занимает 5-10% мирового трафика.

Эффективная экономичность системы связи для пользователя считается оправданной при организации связи на расстояние более 800 км.

Основные принципы спутниковых систем: ретрансляция информации-многостанциооный доступ. Более сложные ретрансляторы имеют несколько антенн, что обеспечивает передачу сигналов на землю после усиления и ориентации луча заданной поверхности при этом коммутация сигналов происходит с помощью матриц.

Существуют ретрансляторы осуществляющие демодуляцию сигналов и излучение новых сигналов в соответствующие модуляции- ретрансляторы с обработкой.

Сущность многостанционного доступа в том, что каждая земная станция имеет возможность пользоваться ретранслятором для передачи сигнала независимо от работы других.

Сигналы делятся:

1)по частоте;

2)времени;

3)в пространстве;

4)по форме.

Многостанционарные доступы:

1) частотный ЧМД;

2)временной ВМД;

3)пространственный ПМД;

4)КМД.

Каждая ЗС имеет определенный канал, через повторяющиеся интервалы времени, спутник в соответствие с соответсвуюшей шкалой времени формирует суперкадр и ретранслирует его на землю.

Классы оборудования искусственного спутника земли:

1)наземное;

2)находящиеся на спутнике (ретранслятор, приёмно-передающая система, различные блоки обработки информации).

Основные параметры при построение связи ИСЗ:

1) -отношение характеризующие передающие и приёмные свойства наземной станции, отражает пропускную способность;

G-коэффициент усиления наземной станции;

T-эквивалентная шумовая t на входе приёмника.

2)эффектовно-излучаемая мощность спутника на входе приёмника- .

Оптимальное сочетание: =32 децибела, =225 децибела\к.

Габариты и диаметры антенны. Максимальные – 30 м, минимальная – 0,3-0,4 м. По ширине полосы спутниковые ретрансляторы строятся таким образом, что она состоит из стволов- частотных участков. Каждый ствол работает со своим ретранслятором (многоствольный, многоканальный).

Максимальное значение стволов-12-48 штук, диаметр 36 МГц.

7.Тропосферные, ионосферные и метеорные системы связи.

Тропосферные. Высота Н=8-10 км- тропосферный слой. При высоте Н длина линии связи может быть от 150 до 600 км. Для того чтобы решить проблему необходимо обеспечивать высокой энергетический потенциал системы.

Энергетический потенциал-отношение мощности излучения к минимальной мощности приёма, при которой обеспечивается нормальное функционирование системы связи ( ).

Это достигается:

1)использованием остронаправленных антенн;

2)высокая мощность передатчика;

3)использованием малошумящих приёмников ( =50* К).

0,3-5 Гкц- диапазон тропосферных систем связи.

Можно обеспечить передачу 120 телефонных каналов. Широкое применение в военных войсках.

Ионосферные. Они основаны на принципе рассеивания сигналов от неоднородности ионосферы. Н=75-95 км-ионосфера.

Обеспечивается дальность: l=960-2000 км.

Частота низкая: f=30-60 МГц.

Метеорные.

Они основаны на принципе отражения радиоволн метрового диапазона от использования следов микрометеоритов. Н=80-120 км.

Особенность: прерывистость режима работы и передача во время вспышек уровня сигнала.

Коротковолновые. f=3-30 МГц.

Волновой канал, который позволяет сделать канал в любую точку земли. Особенность: дальняя связь, связь с подвижными объектами, связь с труднодоступными районами.

Оптические и лазерные. Особенность: происходит свободное распространение оптического диапазона в космосе, воде и воздушном пространстве.

Достоинство: возможность передачи больших объёмов информации.

8.Основные виды сообщений и сигналов, их характеристики.

Источник может создавать много сообщений. Получателю заранее не известно, какое сообщение передано, здесь целесообразен статистический подход к описанию сообщения, т.к. сообщение представляет собой случайный процесс.

Обычно распространяется эргодический случайный процесс, хотя и используется не случайный.

Сообщения бывают:

1)непрерывные- сообщения которые в определенных пределах могут принимать любые мгновенные значения, т.е. ;

2)дискретные- сообщения, образованные из отдельных элементов, символов, букв, цифр, каждые из которых может принимать различные значения.

Первичные сигналы- это сигналы, которые получены в результате преобразований в электрическом носители.

Энергетические и частотные характеристики. Многоволновые радиосигналы могут принимать различные значения в широких пределах. Для их характеристики вводят понятие динамического диапазона.

Динамический диапазон: (дб).

Под понимают мощность сигнала, вероятность срывания которого очень мала. За принимают величину равную допустимой средне квадратичной погрешности.

(дб).

Для оценки информационной ценности вводят понятие .

- тактовая частота;

.

Для непрерывных используются свои характеристики:

1)понятие причины спектрального сигнала. Она даёт представление о скорости изменения сигнала и интервала его существования.

9.Телефонный речевой сигнал.

Частота импульсов основного сигнала:

(бас);

(тенор).

= = , где

-время работы;

-активная мощность.

=10log =20log , где -мощность.

Очень часто используют для оценки, понятие коэффициента активности.

h=0,25-0,35- это отношение времени, в течении которого мощность сигнала на входе превышает заданное пороговое значение к объёму времени занятия канала.

b=10log , где (f)- спектральная плотность звукового давления;

-порог.

Софаметрический фильтр, который учитывает особенности приёмника:

, где

-полоса частот;

- допустимая мощность шумов;

.

Сигнал звукового вещания:

10.Факсимильный сигнал.

Передача рисунков, чертежей и т.д. Он получается в результате элетро-оптического анализа отражённого светового потока и преобразования его в электрический сигнал. В приёмнике электрический сигнал возбуждает какое либо физическое воздействие окрашивающая элементарную площадку носителя записи.

Частотный спектр факсимильного сигнала определяется характером изображения, скорости развёртки, размерами анализируемого пятна. Все эти факторы могут дать максимальную частоту рисунка.

-частота рисунка;

= ;

D-диаметр барабана 70 мм;

N-частота вращения барабана;

d(мм)-ширина анализируемого пятна;

-динамический диапазон факсимильного сигнала;

=25 дб;

Q=20lg =4,5 дб;

-информационная ценность;

-количество информации.

11.Телевизионный сигнал.

По стандарту берётся изображение, которое подлежит передачи и разбивается на строки (количество 625 штук), одно такое изображение формирует кадр, их передаётся 25 в секунду.

Чтобы избежать мерцания вводится метод через строчной развёртки, в этом случае 625 строк передаются в виде полукадра, каждый передаётся за 1\50 секунды.

Количество строк в секунду N: N=n*2=15625.

-время передачи 1 строки.

Гасящие и синхронизирующие – импульсы:

1) для через строчной развёртки;

2) для организации всего кадра.

Спектр телевизионного сигнала зависит от характера передаваемого изображения, но структура спектра в основном определяется развёрткой.

С ростом частоты энергии телевизионного сигнала уменьшается. Установлена что мощность телевизионного сигнала: 0-1,5 МГц, основная мощность – от 200 до 300 кГц. Перепад в спектре – 38-40 дб.

Наивысшая частота эффективной части спектра телевизионного сигнала составляет 6 МГц ( .

В системах цветного телевидения изображения разбивается с помощью светофильтров на 3 одновременных сигнала: красный (R), зелёный (G), синий (B).

Каждый попадает на передающую трубку и они образуют сигналы цветности: . В приёмнике путём их сложения передают цветное изображение. Цветное телевидение совместимо с чёрно белым. Ширина спектра должна быть такой же как и у чёрного белого.

=0,3 +0,59 +0,4 .

-полоса телевизионного сигнала;

=0-6МГц.

Для передачи цветов создаются два цветоразностных сигнала: для передачи каждого надо =1,5 МГц.

Действие помех. Помехи вызывают пятна, различной ширины. Для их уменьшения создаётся смешивающий фильтр. Отношение сигнал-шум определяют как отношение размаха сигнала изображения к напряжению помехи на выходе взвешивающего фильтра.

Защищенность сигнала от помехи должна быть не хуже 57 дб при 100 градациях яркости.

12.Сигнал передачи данных и телеграфный сигнал.

Сигналы бывают:

1)двухполярные;

2)однополярные.

Для импульсов определяется скорость передачи (1мин\с-1 бот). Тактовая частота определяется .

P (+t)-вероятность появления положительного импульса.

;

w=2pf;

-длительность импульса;

Определим минимальную полосу частот , необходимую для передачи телеграфного сигнала. Судя по графику и выражению нужен бесконечный текст полосы, однако при передачи двойных сигналов на практике нет необходимости восстанавливать сигнал без искажений, т.е. сохранять форму. Достаточно зафиксировать только знак импульса при двухполярной передаче или факт наличия или отсутствия при однополярной передаче. Определим : пусть на вход ИФНЧ (идеальный фильтр низких частот).

АЧХ, ИФНЧ.

wc=2pfc- частотная среда фильтра.

На вход последовательных сигналов:

С(t)= ;

G(t)=

c(t) n(t)

n (t)= ;

si z= .

На выходе ИФНЧ:

.

0,5 - контрольное значение; здесь можно говорить о полосе частот ИФНЧ; о полосе спектра сигнала передаваемых данных при такой можно уверенно зафиксировать импульсы на уровне 0,5; таким образом вывод: если частотная характеристика канала приближается к характеристике ИФНЧ, то эффективная полоса частот двойного сигнала ; если есть помехи и искажения, то в реальных каналах полосу частот расширяют до .

Таблица первичного сигнала.

Вид сигнала	Тип спектра	Динамический диапазон, дб	Количество информации, I бит\с
ТЛГ	0-100	-
ПД	300-3400	-
ТЛФ	300-3400
ЗВ	50-10000
Факс	0-1465
Газеты	0-180000
TV	30-6*		80*

13.Основы теории случайных процессов.

Все информационные сигналы случайны. Случайной функцией или процессом называется функция x(t), значения которой при каждом изменении аргумента есть случайная величина. Случайная функция - математическое описание случайного процесса. Она описывается совокупностью отдельных реализаций случайного процесса, число которых в общем случае бесконечно.

Группы случайных процессов:

1) импульсные – последовательность одиночных импульсов, следующих друг за другом в разной форме;

2) пунктуационные – результирующий эффект очень большого числа следующих элементарных импульсов, налагающихся друг на друга;

3) специального вида – модуляция по частоте случайных импульсов.

14.Числовые характеристики случайных процессов (плотность вероятности).

Пусть имеется N одинаковых систем, на выходе этих систем наблюдается случайные процессы x (t). Подключим к каждой системы осциллограф. В одно и то же время будем подсчитывать мгновенное значение: .

Выделим значений, которые заключены в некотором малом интервале (x, x+ x). При достаточно большом N относительная стремится к некоторой определенной величине, которая пропорциональна x.

где - одномерная плотность вероятности случайного процесса.

Она даёт представление о процессе в отдельные фиксированные моменты времени, не указывая как например внесёт дальнейшее поведение функции.

Одномерная плотность - неполная, она характеризует процесс статистический, а не динамический. Более подробную характеристику даёт двумерная плотность вероятности, характеризующая вероятностную связь между значениями случайного процесса в

Выделим ту часть значений , которая в момент времени находятся в пределах , одновременно в момент :

, где - двумерная плотность вероятности.

Двумерная так же не даёт полного представления о процессе. Больше характеризует многомерная. чем больше n, тем детальнее характеристика.

Условия:

1) условие положительной определённости: ;

2) условие нормировки: ;

3) условие симметрии: n-мерная плотность вероятности симметрична относительно своих аргументов;

4) условие согласованности: при m<n плотность вероятности меньшего порядка

.

Если известна n-мерная плотность вероятности, то путём интегрирования по внешним аргументам легко находятся все другие плотности вероятности меньшей кратности.

Условная плотность вероятности: даёт информацию о . Если так, то будет иметь плотность вероятности: .

Условие плотности вероятности для , при заданной : .

15.Характеристические функции и функции распределения вероятностей.

Характеристическая функция представляет собой преобразование Фурье от соответствующей плотности вероятности .

, где <…> - знак статистического усреднения.

Характеристическая функция независимых случайных величин – равна произведению характеристической функции отдельных случайных величин.

Справедливо условие: симметрии нормировки согласованности:

Одномерная функция распределения вероятности определяет относительную долю значений .

интегральная вероятность.

;

.

16.Моментные и корреляционные функции.

Полное описание случайного процесса даёт многомерная плотность вероятности. Однако в ряде случаев целесообразно оперировать более простыми характеристиками случайного процесса.

1) Во многих задачах радиотехнике нужно рассматривать преобразование случайных процессов линейными и нелинейными инерционными системами. Пусть их рассмотрение физической модели случайного процесса неизменно для плотностей вероятности, тогда нельзя указать метод пересчёта непосредственно самих плотностей вероятности при инерционных преобразованиях. Эта задача решается приближенно, путём пересчёта отдельных характеристик случайных процессов.

2) Пусть известен физический механизм устройства генерирующего случайного процесса, необходимо экспериментально определить плотность вероятности. Можно только для одномерного случая.

3) Имеются случайные процессы, плотность вероятности для которых определяется небольшим числом параметров.

4) Часто на практике можно получить результаты из рассмотрения отдельных частотных характеристик случайного процесса.

Ценное свойство моментных и корреляционных функций: функции более низкого порядка несут больше сведений о случайных процессах, чем высокого.

Моментные функции случайного процесса x(t), заданного на некотором интервале – функция симметричная относительно всех своих аргументов являющихся статистическим усреднением произведения.

;

;

.

Зависит от n-несовпадающих аргументов называется: n-мерной моментом -го порядка.

Часто оперируют центральным моментом:

Моментные функции получаются из характеристическим путём дифференцирования. Разложим в ряд эквиваленты:

(*)

Корреляционные функции:

Определяется при помощи разложений в ряд Макларена не самой функции, а её логарифм. В одномерном случае аналогом корреляционной функции являются величины независимые кумуленты и семиинварианты.

Кумуленты:

(1+z) заменим на характеристическую функцию:

Кумулянт есть полином от моментов и наоборот есть полином от кумулянта

Параметры случайных процессов кумулянтов высшего порядка:

-коэффициент асимметрии;

-коэффициент эксцесса.

Кумулянты не совпадают с центральными порядками начиная с четвёртого.

По моментным и корреляционным функциям можно восстановить характер функции случайного процесса и, следовательно, плотность вероятности, поэтому моментная, как и корреляционная функции может быть использована для описания случайных процессов.

17.Стационарные и нестационарные случайные процессы.

Стационарные случайные процессы в узком смысле, если его плотности вероятности произвольного порядка и не меняется при любом сдвиге всей группы точек вдоль оси времени, т.е. если справедливо равенство -уравнение стационарности.

Для стационарного процесса плотность вероятности не изменяется при изменение начала отсчёта времени. Если такое уравнение выполняется, то можно записать аналогичное равенство для различных характеристик.

Числовые значения моментной и корреляционной функций стационарного случайного процесса:

Таким образом, для случайного стационарного процесса n-мерная плотность вероятности, n-мерные моменты и корреляционные функции зависят не от n, а от (n-1) моментов времени, так как один из выборных моментов времени можно принять за начало отсчёта.

-моментная функция первого порядка;

Дисперсия.

Стационарные случайные процессы в широком смысле, если его математическое ожидание постоянно (не зависит от времени), а корреляционная функция зависит только от разности элементов.

Стационарность в широком смысле не тождественна стационарности в узком смысле, но стационарные процессы в узком смысле будут стационарными и в широком, но не наоборот.

Нормальные стационарные случайные процессы – стационарность в узком и в широком смысле совпадает.

18.Корреляционные функции и их свойства.

Функция корреляции между значениями одного случайного процесса в два разных момента времени называется автокорреляционной функцией.

два случайных процесса.

и можно рассматривать функцию корреляции между этими процессами:

*

Если функция корреляции и зависит от , то процессы называются стационарно связанными.

Для них справедлива формула:

В отличие от корреляционной функции, функция корреляции между значениями разных процессов называется взаимными корреляционными функциями.

Для выяснения физического смысла корреляционные функции, рассмотрим 2 частных случая:

1) когда стационарные случайные функции независимы;

x(t) и h(t+t)= -независимы Þ

подставим в * и воспользуемся выражением средней центрированной случайной величины (они изменяются относительно нуля):

, тогда *:

*

2) когда стационарный случайный процесс «жестко» связаны;

пусть x(t) и h(t) связаны детерминированно-линейно:

.

Если стационарные случайные функции независимы, то функция корреляции между ними равна нулю.

Функция взаимной корреляции для линейно связанных случайной функции равна произведению их среднеквадратичных значений, взятого с соответствующим знаком.

Поэтому можно сказать, что корреляционная функция даёт качественное представление о линейной зависимости между значениями одной или нескольких случайных функций в выбранные моменты времени – физический смысл корреляционной функции.

Свойства автокорреляционной функции:

1) чётность (определяется как k(t)=k(-t))

2) Абсолютное значение автокорреляционной функции при любых t не может превышать её значения при t=0.

3) Для многих практических стационарных процессов справедливо:

Физический этот результат объясняется тем, что случайные процессы наблюдаются стационарно и устойчиво работающих системах имеют конечное время корреляции.

Реакция таких систем на мгновенное внешнее воздействие типа d функций имеет конечное время затухания. Поэтому последующее значение процесса оказывается практически не зависимым или не коррелированны с предыдущем, если они разделены интервалом времени превышающим время корреляции.

Автокорреляционная функция стационарного случайного процесса является чётной функцией t имеет max при t=0 равной и убывает до нуля при t®k .

.

4) Не всякая функция удовлетворяет условиям не всегда является корреляционной, она должна удовлетворить дополнительному условию:

19.Коэффициент корреляции.

Для количественной характеристики степени линейной зависимости случайных процессов целесообразно ввести нормирование автокорреляционной функции и взаимно корреляционные функции.

коэффициент корреляции.

-коэффициент взаимно корреляционной функции .