Оптимизация СПИ в «целом»

Основная задача: безошибочный приём с максимальной скоростью.

Суть оптимизации Шеннона состоит в отыскании наилучших методов преобразования сообщений в сигнал на передающей стороне и преобразование смеси сигнала и помехи в сообщение на приемной стороне. Оптимальная СПИ - такая система, в которой применены “наилучшие” методы кодирования и декодирования, обеспечивающие максимальную скорость передачи в КС.

Делаются допущения — помеха считается нормальной Гауссовкой , характеристики системы идеальны.

В таком виде ему не удалось конкретизировать суть оптимальной процедуры кодирования и декодирования.

Используется принцип декомпозиции (разбиение) СПИ на отдельные части или подсистемы. Можно оптимизировать любую часть системы. Найти наилучший вид сигнала и оптимальный способ приёма.

Упрощения: Части системы, включая модулятор, считают черным ящиком, который характеризуется статистической матрицей. Такая матрица определяет все возможные вероятности перехода входного множества в выходное. Под действием помех i-ый входной символ может перейти в j-ый выходной, следовательно зависят от многих факторов (характеристики демодулятора, помех, энергии). Задавая матрицу переходных вероятностей можно формализовать задачу и уйти от конкретных свойств. Даже в такой постановке не удалось решить задачу оптимизации СПИ в “целом” т.к. оптимизировать каждый элемент не значит оптимизировать всю систему, на разные элементы помехи действуют по разному.

34.Преобразование сигналов в системах передачи информации.

Общие сведения о модуляции.

Основная операция СПИ является модуляция и демодуляция. Создание переносчика сообщения – основная цель модуляции. В качестве переносчика используют математические объекты, которые имеют свойство перемещаться в пространстве (электромагнитное поле).

Модуляция позволяет закинуть сигналы на любые линии связи. В качестве переносчиков используют гармонические колебания, которые называются несущими, а также используется последовательность импульса.

Процесс преобразования первичного сигнала заключается в изменение одного или нескольких параметров несущих колебания по закону изменения первичного сигнала – это модуляция.

V, , - параметры от которых зависит модуляция.

Виды модуляции:

1. непрерывные;

а) АМ;

б) ЧМ - частотная и фазовая;

2. импульсные;

а) без кодирования – АИ, ЧИ, ФИ, время импульсная;

б) с кодирования – ИК, дельта кодовая.

35. Амплитудная модуляция.

Несущие колебания промодулированны по первичному закону амплитудой, т.е. амплитуда несущей меняется пропорционально первичному сигналу.

- модулированный сигнал, V(t)-изменение первичного сигнал.

Если в качестве первичного сигнала использовать гармонический сигнал с частотой , то: < .

-глубина (коэфф.) модуляции;

.

Если то модуляции нет и тогда: .

Обычно амплитуда несущей берут больше амплитуды первичного сигнала: V>S .

Осциллограмма первичного сигнала: (в лекциях).

Преобразуем (*):

Таким образом спектр АМК состоит из части несущего колебания и двух боковых симметричных относительно несущей.

Если первичный сигнал сложный и имеет граничные условия , то АМК будет состоять из двух полос симметричных относительно несущей.

Анализ энергетических соотношений показывает, что основная мощность АМК заключена в несущем колебание, которая не несёт полезной информации, а верхняя и нижняя боковые полосы несут одинаковую информацию и имеют более низкую мощность. Для большинства сообщений боковые имеют мощность 20-30%.

Ещё более эффективной модуляцией является амплитудная модуляция с подавленной несущей. Спектр этого колебания совпадает со спектром сообщения перенесённой по частоте.

ОАМ-ПН – однополосная АМ с подавленной несущей. Эта модуляция называется с одной боковой полосой.

ОБП .

Существуют два способа формирования сигналов с ОБП:

1) фильтральный (спектральный);

2) фазовый (корреляционный).

(Схемы в лекциях).

ФВ – фазовый вращатель поворачивает фазу сигналов на При суммирование перемноженных сигналов образуется ОБП сигнал.

Требования в реализации схем.

Для сообщения с узким спектром (телеметрия) применения ОБП (однобаковая полоса) сильно затруднено. Основная область применения ОБП многоканальные СПИ.

36. Частотная и фазовая модуляция.

При ЧМ изменяют во времени пропорционально S(t) частоту несущего сигнала.

(*)

- коэффициент пропорциональности; -девиация частоты (максимальное отключение частоты модулированного сигнала от частоты несущей).

Большему значению сигнала S(t) соответствует большие значения частоты несущего сигнала V(t).

, где

-коэффициент пропорциональности.

-индекс частотной модуляции.

Между частотной и фазовой модуляциями существует тесная связь.

, где

-начальная фаза;

-полная фаза;

, при помощи (*) преобразуем в:

индекс ЧМ.

ЧМ:

ФМ: .

По внешнему виду ЧМ и ФМ трудно отличить поэтому эти модуляции называют угловой модуляцией.

М-индекс угловой модуляции;

- функция Бесселя.

Чем больше М, тем шире спектр модулированного сигнала.

При гармоническом первичном сигнале S(t) спектр модулированного колебания содержат бесконечное число дискретных составляющих образующих нижние, верхние и боковые полосы симметричные относительно несущей.

Если спектр сигнала S(t) занимает полосу частот и соответствует более сложному виду, чем гармоническое, то спектр модулированного колебания будет выглядеть ещё сложнее.

37.Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ).

При АИМ амплитуда импульса меняется с назначением полезного сообщения, а другие параметры не меняются.

;

;

Через ряд Фурье:

, где

Ma – индекс модуляции;

- постоянная составляющая;

- вторая составляющая пропорционально сообщению;

-бесконечное число гармоник с частотой гармоник , каждая из которых модулирована по амплитуде полезного сообщения.

Спектр АИМ сигнала (в лекциях).

38. Широко-импульсная модуляция.

При ШИМ модулируется ширина или длительность импульса, а другие параметры остаются неизменными.

Различают одностороннюю и двухстороннюю ШИМ. При односторонней меняется одна сторона, при двухсторонней две.

ОШИМ.

Максимальный сдвиг временного фронта относительно его начального значения называется девиацией фронта импульса.

При ШИМ должно выполняться условие:

;

Гармоники частоты повторения модулированы более сложным образом: они изменяются одновременно по амплитуде и фазе – отличие ШИМ от АИМ.

При k≤0,1Q спектр-шум равен спектру АИМ.

39.Времяимпульсная модуляция (ВИМ).

При ВИМ модулируются положения импульсов относительно тактовых частот .

Длительность импульса и амплитуды постоянны.

- девиация импульса.

В отличие от ШИМ возможен выбор значений , при которых

Изменения положения импульса можно рассматривать как изменение фазы импульса .

Тогда будет соответствовать следующее отношение фазы:

Если =const (при ВИМ) и не зависит от ширины спектра сообщения, то модуляция называется фазоимпульсной (ФИМ).

ВИМ делится:

1) фазово-импульсная модуляция (ФИМ);

2) частотно-импульсная модуляция (ЧИМ).

К модуляции первого рода относят те виды, у которых значения модулируются параметры в рассматриваемый момент времени пропорционален значению сообщения в тактовых частотах.

-огибающая гармоника.

-индекс модуляции при ВИМ.

структура состоит из постоянной составляющей , вторая составляющая – величина, пропорциональная производной сообщения, а дальше бесконечное число гармоник с частотой повторения .

Эти гармоники модулированы одновременно по амплитуде и по фазе.

При ВИМ первого рода влияние АМ гармоник проявляется незначительно по сравнению с ФМ.

Информация содержится в основном в фазе гармоники. При ВИМ второго рода можно показать, что спектр также содержит постоянный составляющей и бесконечное число гармоник с частотой модулированных по закону полезного сообщения только по фазе.

Особенность ИМ является то , что все они имеют широко-частотный спектр намного шире спектра сообщений.

- энергия изменения от 0 до .

При АМ фиксируется спектр (несущая и две боковые).

При АИМ бесконечный спектр, основная энергия сосредоточена на промежутке .

41. Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ).

Достоинства ИКМ:

1) высокая помехоустойчивость;

2) возможность регистрации ИКМ-сигнала;

3) удобство сопряжения с ЭВМ и электронными АТС;

4) менее критичны.

Сообщение дискретизируется по времени с помощью выборок, затем выборки квантуются по уровню, это значит, что весь диапазон разбивается на дискретное число уровней, каждый имеет собственное значение.

Система передачи информации с ИКМ (в лекциях).

При построение СПИ по указанной схеме не учтена важная операция – это идентификация разрядов кода, которая осуществляется счётчиками, позволяющим делить последовательность разрядов по комбинации требуемой длины. Чтобы эти счётчики группировали разряды одинаково необходима синхронизация. Для этого периодический передаётся какая-либо идентефецируемая операция.

42. Методы уплотнения каналов.

Общие принципы уплотнения.

Канал передачи - это совокупность технических средств и среды распространения обеспечивающие передачу первичного сигнала между двумя пунктами.

Система передачи информации в которой по одной физической цепи передаётся первичный сигнал от одного источника сообщения к одному получателю называется одноканальной СПИ.

1934 год – первая трёхканальная СПИ («В-3-3»);

1940 год – 12 канальная СПИ («К-12»).

Многоканальная СПИ – это совокупность технических средств и среды распространения обеспечивающие передачу сигналов одновременную и независимую от n источников к n получателям по одной цепи связи.

Схема (в лекциях).

Уплотнение:

1) линейное;

2) нелинейное.

.

должны обладать свойствами разделимости, которое обеспечивает правильность разделения принятого многоканального сигнала на отдельные каналы с последующим извлечением из них информации получателю.

Из теории функционального анализа и основанной на ней теории разделения каналов известно, что необходимым и достаточном условии разделимости функции является условие их линейной независимости.

Это означает что не одну из используемых функции нельзя получить с помощью линейных комбинаций других функций этого класса.

элементы которой определяются выражением:

Условие ортогональности:

, где

-мощность i поднесущей;

-взаимная мощность k и i поднесущих.

- это условие имеет следующий физический смысл:

доля мощности проникающая на выход канала из другого канала должна быть намного меньше поднесущей.

Ортогональные колебания:

1) гармонические;

2) импульсные;

3) кодовые.

Виды уплотнения:

1) частотное;

2) временное;

3) уплотнение по форме (кодовое).

43. Частотное уплотнение.

Частотное уплотнение основано на принципе частотного преобразования спектра сообщений отдельных источников на передающей стороне.

.

Моделируя поднесущие можно получить n канальных сигналов, каждый из которых занимает полосу частот , зависящую от ширины спектра исходного сообщения и виды модуляции.

.

-защитные промежутки.

, где

-защитный коэффициент полосы.

= .

Если частота каналов и защитные полосы частот известны, то

, где

-поднесущая n-канала;

n – число каналов.

Структурная схема (в лекциях).

44. Временное уплотнение

ВРК основано на дискретизации сообщений по времени, при таком уплотнение используется набор импульсных поднесущих неперекрывающихся во времени.

Схема в лекциях.

При таком уплотнение используется набор поднесущих неперекрывающихся во времени.

-теорема Котельникова.

Ширина спектра многоканального сигнала однозначно определяется длительностью импульсов поднесущей.

.

Временное уплотнение …. ? для этого в устройство уплотнения формируют полезность синхроимпульсов:

Число каналов которое может быть получено при помощи ВРК равно:

, -время синхронизации;

-время отведенное на один канал.

Структурная схема (в лекциях).

Как работает схема?

Электронные ключи выступают модуляторами АЧМ сигнала, они управляются импульсами поступающими с блока РИК и на основной вход поступает канальное сообщение. Блок РИК организует сдвиг по времени импульсов от ГИ, т.о. импульсы каналов несущие в своей амплитуде информацию о первичном сигнале, передаются по цепи только в определённые промежутки времени. Разделение каналов на приёме осуществляется с помощью ЭК, которые должны работать синхронно и синфазно с ЭК на передающей стороне, это обеспечивается с помощью системы синхронизацию (СС). ЭК приёмника выполняют роль канальных селекторов, демодулируюшие канальных сигналов заключается в восстановление непрерывных сигналов по дискретным значениям.

45.Общие сведения об оптимальном приёме и фильтрации.

Основной задачей приёмника является выделение полезного сигнала из смеси сигнал+помеха. При этом о полезном сигнале известны некоторые параметры, в неизвестном параметре заложена полезная информация, может быть известен динамический диапазон параметра.

Существуют 4 задачи при приёме сигнала:

1) Обнаружение - установление факта наличия сигнала, если в канале связи присутствует аддитивный шум, то задача сводится к ответу на вопрос: является ли сигнал на входе приёмника сигнал+шум или шум?

2)Различение – при ней происходит передача 2 ненулевых сигналов и .

Задача сводится к определению какая смесь на входе приёмника или .

3)Воспроизведение формы – восстановление сообщения, возникает при передачи непрерывного сообщения модулированного или немодулированного. Задача состоит в том, чтобы получить сигнал y(t) наименее отличающийся от передаваемого сообщения, причем полезное сообщение заранее неизвестно, известно лишь то, что он принадлежит к классу сигналов.

В этих условиях передаваемое сообщение можно рассматривать как одну из реализации случайного процесса с частично известными статистическими характеристики.

При восстановление сигнала величина отклонения y(t) от передаваемого сообщения используются критерии:

А) критерий наибольшего отклонения;

, где

m(t)-передаваемое сообщения;

y(t)-сигнал на входе;

Б) критерий среднего отклонения;

;

В) критерий среднеквадратичного отклонения (является основным !!!);

.

Оценка параметров. Информационный параметр может приниматьлюбое значение из некоторого интервала и является случайной величиной.

Схема приёмника решаемого 4 задачи в лекциях.

Фильтрация базовая операция, которая решает основные задачи.