Значения выигрыша и информационной эффективности некоторых систем передачи непрерывных сообщений

Вид модуляции	v = F/Fc	g = hвых / hвх	g′ = g/v	η = R/C
AM	2	0,2	0,1	0,42
БМ	2	2	1	0,50
ОМ	1	1	1	1
ФМ	20	222	11,1	0,12
ЧМ	20	666	33,3	0,17
ФИМ-АМ	20	666	33,3	0,17
ИКМ-АМ	20	250	12,5	0,23
ИКМ-ЧМ	20	500	25	0,32
ИКМ-ФМ	20	1000	50	0,48
ИС	20	6310	315	1

Анализ показывает, что наибольшая информационная эффективность достигается при однополосной модуляции, однако значение обобщенного выигрыша для этого вида модуляции (g′=1) свидетельствует о том, что в системе отсутствует выигрыш по помехоустойчивости.

Одноканальные системы ЧМ и ФИМ примерно равноценны. В этих системах, а также в цифровых системах с ИКМ, высокая помехоустойчивость может быть достигнута с помощью увеличения ширины спектра сигнала, т.е. за счет частотной избыточности. При больших индексах ФМ и ЧМ приближаются по помехоустойчивости к идеальной системе (выигрыш составляет десятки и сотни раз), но информационная эффективность таких систем мала (0,12 ÷ 0,17) из-за большой частотной избыточности. Основными способами повышения эффективности передачи непрерывных сообщений являются устранение избыточности, статистическое уплотнение и применение цифровых видов модуляции.

Аналоговые системы ОМ, AM и узкополосная ЧМ обеспечивают высокую частотную эффективность при сравнительно низкой энергетической эффективности. Применение этих систем целесообразно в каналах с хорошей энергетикой (при больших значениях h_вх) или в тех случаях, когда требуемое значение h_вых мало. Цифровые системы обеспечивают высокую β-эффективность при достаточно хорошей γ-эффективности. В каналах с ограниченной энергетикой (при малых значениях h_вх) преимущества цифровых систем особенно заметны. При высоком качестве передачи, когда требуемые значения h_вых велики, широкополосная ЧМ и цифровые системы обеспечивают примерно одинаковую эффективность.

В многоканальных системах эффективность связи снижается за счет несовершенства системы разделения сигналов. Показатели частотной, энергетической и информационной эффективности для систем с множественным доступом определяются на основании суммарной скорости передачи, зависящей от методов формирования и обработки информационных сигналов в парциальных каналах и методов доступа.

21.3. Выбор сигналов и помехоустойчивых кодов

Эффективность систем передачи дискретных сообщений можно существенно повысить путем применения многопозиционных сигналов и корректирующих кодов.

На рисунке 21.2. приведены βγ-диаграммы для некоторых ансамблей многопозиционных сигналов. Центральное место на рисунке 21.2. занимают кривые для систем с сигналами ФМн-4, которые относятся к классу многопозиционных при m = 4. В цифровых сетях система ФМн-4 является наиболее распространенной и принята в качестве стандарта, поэтому при сравнительной оценке эффективности систем она принята за эталон. Если начало координат перенести в точку, соответствующую ФМн-4, то в новой системе координат по вертикальной оси будет отсчитываться энергетический выигрыш ∆β рассматриваемых систем по сравнению с ФМн-4, а по горизонтальной оси – выигрыш ∆γ по удельной скорости. В этой системе координат все возможные системы связи можно условно разделить на четыре группы, соответствующие четырем квадрантам на плоскости:

• малоэффективные системы (III квадрант), имеющие относительно ФМн-4 проигрыш по β и γ, например, АМн-2, ЧМн-2;

• системы с высокой энергетической эффективностью (II квадрант), обеспечивающие выигрыш по β и проигрыш по γ (системы с корректирующими кодами);

• системы с высокой частотной эффективностью (IV квадрант), обеспечивающие выигрыш по γ и проигрыш по β (системы с многопозиционными ФМн и АФМ сигналами);

• высокоэффективные системы (I квадрант), позволяющие получить одновременно выигрыш по обоим показателям β и γ на основе применения сложных сигнально-кодовых конструкций.

Наряду с многопозиционными сигналами для повышения эффективности широко используются помехоустойчивые коды. Применение корректирующих кодов позволяет повысить верность передачи сообщений или при заданной верности повысить энергетическую эффективность системы. Это особенно важно для систем с малой энергетикой, например, систем спутниковой связи.

На практике используются как блочные, так и непрерывные коды. На рисунке 20.2. приведены кривые эффективности для циклического кода Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ) и для сверточного кода (СК) с декодированием по алгоритму Витерби.

Применение циклического кода позволяет получить энергетический выигрыш ∆β = 2 ... 4 дБ, а сверточного кода ∆β = 4 ... 6 дБ в обмен на снижение частотной эффективности примерно в 2 раза (3 дБ).

Энергетический выигрыш ∆β от применения помехоустойчивого кодирования тем больше, чем выше требуемая верность передачи. Для непрерывного канала с белым гауссовским шумом при требуемой вероятности ошибки 10^-5 предельный энергетический выигрыш кодирования по сравнению с ФМн-2 без кодирования при оптимальном когерентном приеме составляет примерно 10 дБ.

Применение циклического кода в канале с ФМн или сверточного кода в канале с АФМ позволяет повысить одновременно энергетическую, так и частотную эффективности.

Построение высокоэффективных систем на основе сигнально-кодовых конструкций ведет к неизбежному увеличению сложности системы. Не пропускная способность, а сложность является ограничивающим фактором при построении высокоэффективных систем. Задача состоит в том, чтобы построить систему, удовлетворяющую высоким показателям эффективности, при допустимой сложности.

При современной элементной базе затраты на реализацию кодирующих и декодирующих устройств значительно сократились. В то же время стоимость энергетики канала практически не изменилась. Таким образом, «цена» выигрыша ∆β за счет кодирования может быть существенно меньше цены того же выигрыша, полученного за счет увеличения энергетики канала (мощности сигнала или размеров антенн).

Отметим, что выбор способов кодирования и модуляции зависит от характеристик канала. Улучшение этих характеристик, например, путем адаптации к помехам и оценивания искажений сигнала и их последующей компенсации, снижает потери в канале и создает лучшие условия для применения корректирующих кодов.

Сравнение между собой различных ТКС осуществляется по степени использования ими основных ресурсов канала связи (пропускной способности, мощности, занимаемой полосы частот), выражаемой через показатели информационной, энергетической и частотной эффективности. Создание ТКС, в которых достигаются близкие к предельным показатели эффективности, требует согласования методов модуляции и кодирования с учетом статистических свойств непрерывного канала.