Основные показатели качества функционирования системы связи

СИСТЕМЫ СВЯЗИ И ИХ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Основные понятия и определения

 

Объектом передачи в любой системе связи является сообщение, несущее какую-либо информацию.

В системах передачи сообщений смысловое содержание понятий информации и сообщения являются весьма близкими.

В общем случае под информацией понимают совокупность сведений о каких-либо событиях, явлениях или предметах. Для передачи или хранения информации используются различные знаки (символы), позволяющие выразить (представить) информацию в некоторой форме. Это могут быть буквы, цифры, жесты и рисунки, математические или музыкаль­ные символы, слова и фразы человеческой речи, различные реализации форм электрических колебаний и т.д.

Под сообщением понимается форма представления информации. Иначе гово­ря, сообщение – это то, что подлежит передаче. Множество возможных сообщений с их вероятностными характеристиками называется ансамблем сообщений. Выбор сообщений из ансамбля осуществляет источник сообщений. Процесс выбора является случайным; заранее не известно, какое сообщение будет передаваться. Различают дискретные и непрерывные сообщения.

Дискретные сообщения формируются в результате последовательной выдачи источником отдельных элементов – знаков. Множество различных знаков называют алфавитом источника сообщений, а число знаков – объемом алфавита. В частности, знаками могут быть буквы естественного или искусственного языка, удовлетворяющие определенным правилам взаимосвязи.

Сообщения, предназначенные для обработки в компьютерных информационных системах, принято называть данными.

Сообщение представляет собой последовательность состояний источника информации, развора­чиваемую во времени. В зависимости от того, является ли множество состояний источника информации счетным, конечным (с мощностью ал­фавита М) или принимающим свои состояния из некоторого континуу­ма возможных значений, источники делят на дискретные и непрерывные (аналоговые). Под дискретным источником информации понимают не­который объект, который в определенные моменты времени принимает одно из М состояний дискретного множества. Непрерывный источник в каждый момент времени может принимать одно из бесконечного мно­жества своих состояний. Соответствующим образом вводится понятие источника сообщений, при этом все возможные источники можно раз­делить на дискретные и непрерывные.

Для передачи сообщения на расстояние необходимо наличие како­го-то переносчика, материального носителя. В качестве таковых ис­пользуются статические либо динамические средства, физические про­цессы. Физический процесс, используемый в качестве переносчи­ка сообщения и отображающий передаваемое сообщение, называет­ся сигналом.

Отображение сообщения обеспечивается изменением какой-либо физической величины, характеризующей процесс. Эта величина является информационным параметром сигнала.

Сигналы, как и сообщения, могут быть непрерывными и дискретными. Информационный параметр непрерывного сигнала с течением времени может принимать любые мгновенные значения в определенных пределах. Непрерывный сигнал часто называют аналоговым. Дискретный сигнал характеризуется конечным числом значений информационного параметра. Часто этот параметр принимает всего два значения.

В системах электросвязи в качестве переносчика, используемого для передачи сообщений на расстояние, применяют электрические сигналы, поскольку они имеют наибольшую скорость распространения (приближающуюся к скорости света в вакууме – 3×10⁸ м/с).

В качестве сигнала можно использовать любой фи­зический процесс, изменяющийся в соответствии с пе­редаваемым сообщением. Существенно то, что сигна­лом является не сам физический процесс, а изменение отдельных параметров этого процесса.Указанные изме­нения определяются тем сообщением, которое несет данный сигнал.

Во многих случаях сигнал отображает временные про­цессы, происходящие в некоторой системе. Поэтому описанием конкретного сигнала может быть не­которая функция времени. Определив так или иначе эту фун­кцию, мы определяем и сигнал. Однако такое полное описа­ние сигнала требуется не всегда. Для решения ряда задач достаточно более общего описания в виде нескольких обоб­щенных параметров, характеризующих основные свойства сигнала, подобно тому, как это делается в системах транспор­тирования.

Техника передачи информации есть, по существу, техника транспор­тирования (передачи) сигналов по каналам связи. Поэтому целесообразно определить параметры сигнала, которые явля­ются основными с точки зрения его передачи. Такими пара­метрами являются длительность сигнала, динамический диапазон и ширина спектра.

Всякий сигнал, рассматриваемый как временной процесс, имеет начало и конец. Поэтому длительность сигнала Т яв­ляется естественным его параметром, определяющим интер­вал времени, в пределах которого сигнал существует.

Характеристиками сигнала внутри интервала его суще­ствования являются динамический диапазон и скорость из­менения сигнала.

Динамический диапазон определяется как отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к наименьшей:

, (дБ).

Динамический диапазон речи диктора равен 25 ÷ 30 дБ, вокального ансамбля – 45 ÷ 55 дБ, симфонического оркест­ра – 65 ÷ 75 дБ.

В реальных условиях всегда имеют место помехи. Для удовлетворительной передачи требуется, чтобы наименьшая мощность сигнала превышала мощность помех. Отношение сигнала к помехе характеризует относительный уровень сиг­нала. Обычно определяется логарифм этого отношения, кото­рый называется превышением сигнала над помехой. Это пре­вышение и принимается в качестве второго параметра сигна­ла. Третьим параметром является ширина спектра сигна­ла F. Эта величина дает представление о скорости измене­ния сигнала внутри интервала его существования. Спектр сигнала может простираться в пределах очень большой по­лосы частот. Однако для большинства сигналов можно ука­зать полосу частот, в пределах которой сосредоточена его ос­новная энергия. Этой полосой и определяется ширина спект­ра сигнала.

В технике связи спектр сигнала часто сознательно ограничивается. Это обусловлено тем, что аппаратура и линия связи имеют ограниченную полосу пропускаемых частот. Ограничение спектра осуществляется, исходя из допустимых искажений сигнала. Например, при телефонной связи требуется выполнить два условия: чтобы речь была разборчива и корреспонденты могли узнать друг друга по голосу. Для выполнения этих условий спектр речевого сигнала можно ограничить полосой от 300 до 3400 Гц. Передача более широкого спектра речи в этом случае нецелесообразна, так как это ведет к техническим усложнениям и увеличению затрат.

Более общей физической характеристикой сигнала является объем сигнала:

V _c = T _c Д_c F _c(1.1)

Для неискаженной передачи сигнала емкость канала должна быть не меньше объема сигнала.

Важной характеристикой сигналов является также база:

 

ν = 2 T _c F _c. (1.2)

 

Если ν ≤ 1, то сигналы называют узкополосными (простыми). Если ν >> 1, то – широкополосными (сложными).

В естественных природных условиях сигналы, создаваемые и при­нимаемые живыми существами, распространяются в среде их обита­ния. Эту среду можно назвать каналом передачи сообщений. Отме­тим сразу, что даже в такой простейшей системе передачи типичным является наличие в канале помех, т.е. сигналов, создаваемых посторонними источниками. С возникновением потребности в быстрой пе­редаче сообщений на большие расстояния у человека появилась не­обходимость в применении различных приспособлений («технических средств»). В современных системах передачи в качестве физических носителей информации используют электрические токи или напряже­ния, а также электромагнитные колебания.

При передаче сообщений возникает необходимость использования таких технических средств, как датчиков — преобразователей различных физических процессов в низ­кочастотные электрические токи, называемых первичными сигналами (например, микрофон, видикон); устройств кодирования дискретных сообщений, используемых как в целях согласования мощности алфа­вита источника М и числа используемых в канале передачи кодовых символов, так и в целях обеспечения высокой надежности передачи; устройств модуляции высокочастотных переносчиков сигналов первич­ными сигналами [2]. Поскольку получатель воспринимает сообщение, как правило, в той форме, которая представляется на выходе исходного источника, в системе передачи оказываются необходимыми такие тех­нические средства, как демодулятор, декодер, которые осуществляют обратное преобразование высокочастотных сигналов в аналоги первич­ных, низкочастотных сигналов в аналоги исходных сообщений (напри­мер, с помощью динамика, кинескопа и т.д.).

2.2. Системы связи

 

Совокупность технических средств (аппаратно-программных) и среды распространения, требуемых для передачи сооб­щения от источника к получателю, называют системой связи. В функ­циональных схемах и их реализациях такие узлы, как кодер и модуля­тор, объединяют в передающем устройстве; аналогично демодулятор и декодер объединяются в едином устройстве — приемнике. Типич­ная функциональная схема, включающая основные узлы системы свя­зи, представлена на рис. 1.2. Указанная здесь линия связи, во мно­гих случаях отождествляемая с каналом передачи, предназначена для передачи сигналов с минимально возможной потерей их интенсивно­сти от передатчика к приемнику. В системах электрической связи, линия связи, в частности, это пара проводов, кабель или волновод, в системах радиосвязи – область пространства, в которой распространяются электромагнитные волны от передатчика к приемнику.

В линии связи локализована неизбежно присутствующая в системе связи помеха w (t), приводящая к случайному непредсказуемому искажению формы передаваемого сигнала.

 

Рис. 2.1. Обобщенная структурная схема системы электросвязи

 

Приемник обрабатывает приня­тый сигнал x (t),искаженный помехой, и восстанавливает по нему переданное сообщение u (t).Обычно в приемнике вы­полняются операции, обратные тем, которые были осуществ­лены в передатчике.

Каналом связи принято называть совокупность техни­ческих средств, служащих для передачи сообщения от источ­ника к потребителю. Этими средствами являются передат­чик, линия связи и приемник.

Канал связи вместе с источником и потребителем обра­зуют систему передачи и обработки информации. Различают системы передачи дискретных сообщений (например, система телеграфной связи) и системы передачи непрерывных сообщений (системы радиовещания, телевидения, телефонии и т.п.). Существуют также системы связи смешанного типа, в которых непрерывные сообщения передаются дискретными сигналами. К таким системам относятся, например, системы импульсно-кодовой модуляции.

При передаче сообщений в одну сторону от отправителя к получателю, или от «точки к точке» используется двухточечный односторонний канал связи. Если источник и получатель поочередно меняются местами, то для обмена сигналами необходимо использовать поочередный двухсторонний канал связи, допускающий передачу как в одну, так и в противоположную сторону (полудуплексный режим). Бо¢льшие возможности для обмена предоставляет одновременный двусторонний канал связи, обеспечивающий одновременную передачу сигналов в противоположных направлениях (дуплексный режим).

Система связи называется многоканальной, если она обеспечивает взаимонезависимую передачу нескольких сообщений по одному общему каналу связи.

При необходимости обмена сообщениями между многими отправителями и получателями, называемых в этом случае пользователями или абонентами, требуется создание систем передачи сообщений (СПС) с большим числом каналов связи. Это приводит к концепции системы передачи и распределения сообщений (СПРС), т.е. системы связи в широком смысле. Такую систему обычно называют сетью связи (электросвязи), сетью передачи информации или сетью передачи сообщений. Примером СПРС является полносвязная сеть (рис. 1.1), где оконечные пункты (ОП) подключены друг к другу по принципу «каждый с каждым».

Рис.2.2. Полносвязная сеть

передачи информации

 

Данная сеть является некоммутируемой, и связь между абонентами осуществляется по постоянно закрепленным (некоммутируемым) каналам. Распределение информации в таких сетях обеспечивается специальными методами доступа или процедурами управления передачей информации, служащими для уведомления о том, какие абоненты будут осуществлять обмен сообщениями. При увеличении числа абонентов в многоточечной сети значительно возрастают задержки в передаче информации, а в полносвязных сетях существенно увеличивается число линий связи и объем аппаратуры. Разрешение этих проблем связано с использованием коммутируемых сетей СПРС, где абоненты связываются между собой не непосредственно, а через один или несколько узлов коммутации (УК).

Таким образом, коммутируемая СПРС представляет собой совокупность ОП, узлов коммутации и соединяющих их линий связи.

Основная задача современных СПРС – обеспечение широкого круга пользователей (людей или организаций) разнообразными информационными услугами, в число которых входит в первую очередь эффективная доставка сообщений из одного пункта в другой, удовлетворяющая требованиям по скорости, верности, времени задержки, надежности и стоимости.

Статистические характеристики потока вызовов изучаются методами теории массового обслуживания, в частности теории телетрафика. Эта теория позволяет установить требования к устройствам коммутации и числу линий, при которых гарантируется удовлетворительное качество связи при заданном проценте отказов или времени ожидания.

Так, например, нагрузка телефонной сети зависит от количества, времени возникновения и продолжительности телефонных разговоров.

Под интенсивностью нагрузки понимается математическое ожидание поступающей нагрузки, отнесенное к единице времени (в телефонии – 1 час). За единицу измерения интенсивности нагрузки принимается Эрланг (1часо-занятие). В течение суток нагрузка изменяется, час наибольшей нагрузки называют ЧНН. Каждый абонент в среднем дает нагрузку в интервале 0,06... 0,15 Эрл. По этим значениям рассчитывается телефонная сеть и ее коммутационные системы.

Источником информации в системе связи (см. рис. 2.1) является отправитель сообще­ния, а потребителем — ее получатель. В одних системах пе­редачи информации источником и потребителем информации может быть человек, а в других — различного рода автома­тические устройства, компьютеры и т.д.

Преобразование сообщения в сигнал включает три операции:

– преобразование из неэлектрической формы в электрическую;

– первичное кодирование;

– преобразование с целью согласования характеристик сигнала с характеристиками канала связи.

Эти три операции могут быть независимыми либо совмещенными.

На первом этапе сообщение с помощью датчиков преобразуется в электрическую величину – первичный сигнал.

Основными первичными сигналами электросвязи являются: телефонный (речевой), звукового вещания, факсимильный, телевизионный, телеграфный, передачи данных (например, ввод текста с клавиатуры).

Для того, чтобы принятое сообщение наиболее точно соответствовало переданному, целесообразно осуществлять передачу сигналов в дискретной форме. Аналоговые сигналы преобразуются в дискретные в процессе квантования, при котором непрерывная область значений сигнала подразделяется на дискретные области так, что все значения сигнала, попадающие в одну из этих областей, заменяются одним дискретным значением. Квантование при этом проходит не только по какому-то параметру сигнала, например, по амплитуде, но еще и по времени.

Второй этап преобразования сообщения в сигнал – кодирование – заключается в преобразовании букв, чисел, знаков в определенные сочетания элементарных дискретных символов, называемых кодовыми комбинациями или словами. Правило этого преобразования называется кодом. Целью кодирования, как правило, является согласование источника сообщений с каналами связи, обеспечивающее либо максимально возможную скорость передачи информации, либо заданную помехоустойчивость. Согласование осуществляется с учетом статистических свойств источника сообщений и характера воздействия помех.

На третьем этапе осуществляется преобразование первичных сигналов u (t) в сигналы, удобные для передачи по линии связи (по форме, мощности, частоте и т. д. Эти операции выполняются в передатчике. В простейшем случае передатчик может содержать усилитель первичных сигналов или только фильтр, ограничивающий полосу передаваемых частот. В большинстве случаев передатчик – генератор переносчика (несущей) и модулятор. Процесс модуляции заключается в управлении параметрами переносчика первичным сигналом u (t).На выходе передатчика получаем модулированный сигнал s (u, t).

Система передачи информации называется многоканаль­ной, если она обеспечивает взаимонезависимую передачу не­скольких сообщений по одному общему каналу связи.

Канал связиможно охарактеризовать так же, как и сиг­нал, тремя параметрами: временем, в течение которого по ка­налу ведется передача, динамическим диапазоном и полосой пропускания канала. Для неискаженной передачи сигналов емкость канала V_k должна быть не меньше объема сигнала.

Общими признаками различных каналов являются сле­дующие. Во-первых,большинство каналов можно считать ли­нейными. В таких каналах выходной сигнал представляет со­бой просто сумму входных сигналов (принцип суперпозиции). Во-вторых,на выходе канала, даже при отсутствии полез­ного сигнала, всегда имеются помехи. В-третьих,сигнал при передаче по каналу претерпевает задержку по времени и за­тухание по уровню. И, наконец, в реальных каналах всегда имеют место искажения сигнала, обусловленные несовершен­ством канала.

Сигнал на выходе канала можно записать в следующем виде:

 

 

где s (t)– сигнал на входе канала; w (t)– помеха; μ и τ – величины, характеризующие затухание и время задержки сиг­нала.

 

Основные показатели качества функционирования системы связи

 

Исходя из назначения любой системы электросвязи – передача информации от источника к потребителю – можно оценить работу системы по двум показателям: качеству и количеству переданной информации. Эти показатели неразрывно связаны между собой.

Качество передаваемой информации принято оценивать достоверностью (верностью) передачи сообщений. Количественно достоверность характеризуется степенью соответствия принятого сообщения переданному. Снижение достоверности в канале связи происходит из-за действия помех и искажений. Но так как искажение в канале в принципе можно скомпенсировать и в правильно спроектированных каналах они достаточно малы, то главной причиной уменьшения достоверности являются помехи. Та­ким образом, верность передачи сообщений самым тесным образом связана с помехоустойчивостью системы, т.е. ее способностью про­тивостоять мешающему воздействию посторонних сигналов. Система является тем более помехоустойчивой, чем более высокую верность передачи она обеспечивает при заданных характеристиках мешающих воздействий и определенной мощности передаваемых сигналов, ото­бражающих состояние источника. Количественную меру достоверности выбирают по-разному в зависимости от характера сообщения.

Если сообщение представляет собой дискретную последовательность элементов из некоторого конечного множества, влияние помехи проявляется в том, что вместо фактически переданного элемента может быть принят какой-либо другой. Такое событие называется ошибкой. В качестве количественной меры достоверности можно принять вероятность ошибки p или любую возрастающую функцию этой вероятности.

Косвенной мерой качества может служить оценка степени искажения формы принимаемых стандартных сигналов (краевые искажения, дробления, флуктуации фронтов и т. д.). Эти искажения также нормируются для дискретных каналов. Имеются простые соотношения для пересчета искажений формы сигнала в вероятность ошибки.

При передаче непрерывных сообщений степенью соответствия принятого сообщения v (t) переданному u (t) может служить некоторая величина e, представляющая собой отклонение v от u. Часто принимается критерий квадратичного отклонения, выражающийся соотношением:

Среднеквадратическое отклонение учитывает влияние на принятое сообщение n(t) как помех, так и всевозможных искажений (линейных, нелинейных).

Достоверность передачи зависит от отношения мощностей сигнал/помеха. Чем больше это отношение, тем меньше вероятность ошибки (больше достоверность).

При данной интенсивности помехи вероятность ошибки тем меньше, чем сильнее различаются между собой сигналы, соответствующие разным элементам сообщения. Задача состоит в том, чтобы выбрать для передачи сигналы с большим различием.

Достоверность зависит и от способа приема. Нужно выбрать такой способ приема, который наилучшим образом реализует различие между сигналами при данном отношении сигнала к помехе. Правильно сконструированный приемник может увеличить отношение сигнала к помехе и притом весьма значительно.

Косвенная оценка качества передачи непрерывных сообщений приводится по характеристикам каналов (частотным, амплитудным, фазовым, уровню помех и т.д.), по некоторым параметрам сигналов и помех (коэффициент искажений, отношение сигнал – помеха и т. д.), по субъективному восприятию сообщений. Качество телефонной связи, например, можно оценивать по разборчивости речи.

Есть существенное различие между системами передачи дискретных и непрерывных сообщений. В аналоговых системах всякое, даже сколь угодно малое мешающее воздействие на сигнал, вызывающее искажение модулируемого параметра, всегда влечет за собой внесение соответствующей ошибки в сообщение. В системах передачи дискретных сообщений ошибка возникает только тогда, когда сигнал воспроизводится (опознается) неправильно, а это происходит лишь при сравнительно больших искажениях.

В теории помехоустойчивости, разработанной В.А. Котельниковым, показывается, что при заданном методе кодирования и модуляции существует предельная (потенциальная) помехоустойчивость, которая в реальном приемнике может быть достигнута, но не может быть превзойдена. Приемное устройство, реализующее потенциальную помехоустойчивость, называется оптимальным приемником.

Наряду с достоверностью (помехоустойчивостью) важнейшим показателем работы системы связи является скорость передачи. В системах передачи дискретных сообщений скорость измеряется числом передаваемых двоичных символов в секунду R. Для одного канала скорость передачи определяется соотношением

R = log₂ m,

где Т – длительность элементарной посылки сигнала; m – основание кода. При m = 2имеем R = 1/ T = v,Бод.

Максимально возможную скорость передачи R _макс принято называть пропускной способностью системы. Пропускную способность системы передачи аналоговых сообщений оценивают количеством одновременно передаваемых телефонных разговоров, радиовещательных или телевизионных программ и т.п.

Пропускную способность системы R _максне следует путать с пропускной способностью канала связи C (см. гл. 4). Пропускная способность системы связи – понятие техническое, характеризующее используемое оборудование, тогда как пропускная способность канала определяет потенциальные возможности канала по передаче информации. В реальных системах скорость передачи R всегда меньше пропускной способности канала С. В теории информации доказывается, что при R £ C можно найти такие способы передачи и соответствующие им способы приема, при которых достоверность передачи может быть сделана сколь угодно большой.

Из рассмотренного следует, что количество и качество передаваемой информации в канале связи в основном определяется помехами в канале. Поэтому при проектировании и эксплуатации систем связи необходимо добиваться не только малых искажений принятого первичного сигнала, но и заданного превышения сигнала над помехами. Обычно нормируется отношение сигнал – помеха для принимаемых первичных сигналов.

Важной характеристикой системы связи является задержка. Под задержкой понимается максимальное время, прошедшее между моментом подачи сообщения от источника на вход передающего устройства и моментом выдачи восстановленного сообщения приемным устройством. Задержка зависит, во-первых, от характера и протяженности канала, во-вторых, от длительности обработки в передающем и приемном устройствах.

 

Контрольные вопросы

1. Что понимают под сообщением и сигналом?

2. Нарисуйте функциональную схему системы передачи информации.

3. Что называется каналом связи? Какие типы каналов Вы знаете?

4. Как происходит преобразование непрерывного сообщения в сигнал?

5. Что такое достоверность передачи и как она определяется количественно?

6. Дайте определение основным характеристикам сигнала?

7. Что такое модуляция?

8. Каким образом восстанавливается переданное сообщение в приемнике?

9. Какими параметрами определяется качество передачи информации и количество переданной информации?

10. Что понимают под пропускной способностью системы связи?

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: