Структурная схема системы связи

Современный этап развития телекоммуникационной техники характеризуется интенсивным внедрением оптимальных способов обработки сигналов. Успехи микропроцессорной техники сделали возможной реализацию самых сложных алгоритмов. Пожалуй, наиболее впечатляющие результаты получены в области кодирования и оптимальной обработки принятых сигналов, что позволило вплотную приблизиться к параметрам идеальной системы связи.

На рис. 1 показана обобщенная структурная схема цифровой системы связи.

Назначение отдельных блоков будет рассматриваться по мере изучения очередного преобразования сигнала. Сокращенные обозначения на схеме расшифровываются так:

ИИ - источник информации,

ФНЧ - фильтр низких частот с верхней частотой пропускания Fв

АЦП — аналогово-цифровой преобразователь,

БЭК - блок эффективного кодирования,

БПК - блок помехоустойчивого кодирования,

Мод - модулятор несущей,

Вых У - выходное устройство (выходные усилитель и фильтр),

ИП - источник помех ξ(t),

ЛС - линия (канал) связи,

Вх У - входное устройство (входной фильтр и усилитель приемника),

Демод - демодулятор входного сигнала,

БПД – блок помехоустойчивого декодирования,

БЭК – блок декодирования эффективного кода,

ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь,

ПИ - получатель информации.

Источник информации - устройство (микрофон, датчик телеметрии и т.д.), которое на своем выходе формирует аналоговый электрический сигнал, который требуется передать приемнику информации.

Аналогово-цифровой преобразователь превращает исходный аналоговый информационный сигнал в двоичный цифровой сигнал импульсно-кодовой модуляции.

Блок эффективного кодирования перекодирует исходный двоичный сигнал ИКМ таким образом, чтобы увеличить количество информации, приходящееся на один передаваемый символ, т.е., уменьшить время передачи сообщения.

Блок помехоустойчивого кодирования формирует код, позволяющий обнаружить и исправить ошибки в принятой кодовой комбинации, искаженной помехами.

Модулятор - устройство, изменяющее один из параметров несущей (сигнала-переносчика) в соответствии с информационным модулирующим сигналом.

Поскольку передача непосредственно информационного сигнала на требуемое расстояние оказывается неэффективной, а зачастую невозможной, то необходим модулятор, который создает сигнал, содержащий исходную информацию и приспособленный для передачи по линии связи.

Выходное устройство передает модулированный электрический сигнал в линию связи (для радиосвязи выходное устройство - излучающая антенна).

Линия связи - среда, по которой происходит передача информации от передатчика к приемнику (например, оптоволокно, двухпроводная линия, пространство). В линии связи сигнал уменьшается по величине и искажается помехой.

Входное устройство - принимает сигнал из линии связи, усиливает его и отфильтровывает помехи

Демодулятор — устройство, выделяющее информационный цифровой сигнал из сигнала-переносчика.

Блок декодирования помехоустойчивого кода - исправляет ошибки в принятой кодовой комбинации.

Блок декодирования эффективного кода - восстанавливает двоичный цифровой сигнал ИКМ.

Цифро-аналоговый преобразователь - преобразует сигнал ИКМ в аналоговый электрический сигнал, соответствующий передаваемому исходному сигналу.

Получатель информации - конечное устройство, на выходе которого - информация, непосредственно воспринимаемая человеком или служащая для управления другими устройствами.

Задача 1

В качестве примера рассмотрим передачу некоторой псевдослучайной последовательности букв (фамилия, имя и отчество виртуального студента - Иванов Михаил Иванович). Пусть каждая буква представляет собой импульс-отсчет ИКМ сигнала, амплитуда которого равна порядковому номеру данной буквы в русском алфавите (см. таблицу 1).

Закодируем последовательность букв с помощью десятичного и двоичного кода.

Таблица 1

Передаваемый ИКМ сигнал представлен на рис. 1.

И

Ч

Рис. 1. ИКМ сигнал передаваемой последовательности.

Перепишем передаваемую двоичную последовательность символов без пробелов.

Так как передаваемая последовательность содержит 20 букв, а каждая буква - 5 двоичных единиц (бит), то вся последовательность имеет 100 бит. В исходной двоичной последовательности 37 «единиц» и 63 «нолей», т.е. вероятность передачи 1 – р₁=0.37, а вероятность передачи 0 - р₀=0.63.

Энтропия источника, рассчитанная с помощью формулы

Н = - S_iр_ilogp_i,

равна Н₁= 0.37×log₂0.37 + 0.63×log₂0.63= 0.9507 бит/символ.

Избыточность источника при поэлементной передаче равна

R₁=1 - Н₁ = 0.05, однако при этом не учитываются статистические связи между символами.

Задача 2

Уменьшить возможные статистические связи между символами можно, укрупнив алфавит источника, например, проводить передачу парами двоичных единиц (дибитами). Для этого двоичную последовательность следует разделить на дибиты*. (*Если количество двоичных символов нечетное, то последний символ следует отбросить.)

Передаваемое сообщение, разделенное на дибиты, -

01.00.00.00.10.00.00.00.11.01.01.11.00.00.10.01.10.00.10.00.10.10.10.00.00.01.00.00.10.11.01.00.00.00.10.00.00.00.11.01.01.11.00.00.10.01.00.01.01.11.

Рассчитаем вероятности появления различных дибитов.

Всего в передаваемой последовательности 50 дибитов. Из них дибит 00 (D₀) встречается 23 раза, вероятность появления дибита D₀ равна р₀₀=23/50=0.46, дибит 01 (D₁) встречается 11 раз и р₀₁=11/50=0.22, дибит 10 (D₂) встречается 10 раз - р₁₀=10/50=0.20, дибит 11 (D₃) встречается 6 раз - р₁₁=6/50=0.12

Энтропия источника (среднее количество информации, содержащаяся в одном дибите, равна

Н₂= 0.46×log₂0.46 + 0.22×log₂0.22 + 0.20×log₂0.20 + 0.12×log₂0.12 =

= 1.827 дв.ед/дибит.

Так как максимальное значение Н₂ = 2 дв.ед./дибит, то избыточность равна R₂ = 1 – 1.827/2 = 0.087, что значительно больше, чем R₁. Отсюда можно сделать вывод о значительной статистической связи между символами.

Для уменьшения избыточности закодируем исходную последовательность дибитов с помощью алгоритма Хаффмена.