1.4 Методы повышения эффективности систем передачи информации

[1, с. 282-302]; [2, с. 255-259].

Системы связи, обеспечивающие необходимую скорость передачи информации R при заданной верности, различаются степенью использования ими основных ресурсов канала: пропускной способности C, мощности сигнала P_S и занимаемой полосы частот F_S.

Наиболее общей характеристикой эффективности систем связи является коэффициент использования канала связи по пропускной способности (информационная эффективность)  =R /C.

Эффективность также часто оценивается коэффициентом использования канала по полосе частот (частотная эффективность)  =R / F_S и коэффициентом  использования канала по мощности (энергетическая эффективность)  =R / (P_S / N₀), где P_S / N₀ – отношение мощности сигнала к спектральной плотности мощности шума. Введя обозначение h²=P_S / P_ш (отношение мощности сигнала к мощности шума в полосе F_S) и учитывая формулу Шеннона C = F_Slog(h²+1), нетрудно определить связь между этими коэффициентами эффективности:

  h²     / [log ( / +1)].

Методы повышения эффективности систем передачи направлены на реализацию резервов в системе связи, указанных Шенноном и Котельниковым. Согласно теореме Шеннона величина  соответствующими способами модуляции – демодуляции и кодирования – декодирования может быть сделана сколь угодно близкой к единице при сколь угодно малой вероятности ошибок. Для такой идеальной системы связи получаем, приняв  = 1, предельную зависимость  =  (2^ – 1). Эту зависимость удобно представить кривой на плоскости   , где  меняется от 0 до при аналоговой передаче и от 0 до log₂ m_k при передаче дискретных сигналов с основанием m_k , а коэффициент  ограничен значением _max = . Эта кривая является предельной и характеризует наилучший обмен между  и  .

В реальных системах связи вероятность ошибки p_ош  0 и   1. Кривые  = f ( ) зависят от вида сигнала (модуляции), кода, способа обработки сигнала. Каждому варианту системы соответствует точка на плоскости в координатах  и  . Все эти точки располагаются на кривых ниже предельной кривой Шеннона. Чем ближе точка к предельной кривой, тем эффективнее система.

Методы повышения эффективности за счёт выбора способа модуляции и кодирования зависят от того, какой из параметров (,  , ) максимизируется.

Так, в некоторых системах проводной связи важнейшим показателем увеличения мощности является частотная эффективность  . Условию наилучшего использования полосы частот при заданной верности передачи наиболее полно отвечает однополосная модуляция. В этой же однополосной системе достигается наибольшая информационная эффективность  = 1, однако помехоустойчивость низкая и повышена может быть лишь увеличением мощности сигнала. При жёстких ограничениях, накладываемых на мощность излучения, целесообразно осуществить обмен полосы пропускания на мощность сигнала. Это достигается путём перехода к многопозиционным сигналам (m_k  2) и комбинированным видам модуляции. Обмен энергетической эффективности на частотную можно осуществить с помощью многопозиционных сигналов с ФМ и АФМ.

Наряду с системами, описанными выше, обеспечивающими выигрыш по  и проигрыш по , используются системы с помехоустойчивыми кодами, обеспечивающие выигрыш по  и проигрыш по  . Применение корректирующих кодов позволяет повысить верность передачи информации или при заданной верности повысить энергетическую эффективность системы связи. Последнее особенно важно для систем с малой энергетикой (спутниковая, космическая связь).

Для повышения информационной эффективности  нужно повысить как эффективность системы кодирования, так и эффективность системы модуляции. Так, применение циклического кода в канале с ФМ или свёрточного кода в канале с АФМ позволяют получить одновременно выигрыш как по  , так и по  , или, во всяком случае, выигрыш по одному из показателей без ухудшения другого. Однако, построение таких высокоэффективных систем (  0,5) на основе сложных сигнально-кодовых конструкций ведёт к неизбежному увеличению сложности системы.

В технике связи используются различные методы повышения эффективности за счёт выбора способа передачи и обработки сигналов:

- разнесённый приём – передача одной и той же информации по параллельным каналам; при реализации разнесённого приёма существенно повышается помехоустойчивость приёма замирающих сигналов;

- приём в целом – демодулятор строится сразу на всё кодовое слово, что позволяет в сравнении с посимвольным приёмом, повысить верность. Этот приём технически осуществим только для коротких кодов;

- обратная связь. Системы с решающей обратной связью являются примером системного подхода к кодированию и модуляции с учётом свойств канала связи. В этих системах используются корректирующие коды небольшой длины, необходимые, как правило, только для обнаружения ошибок. В случае обнаружения ошибки в декодере по обратному каналу посылается сигнал запроса, и кодовая комбинация передаётся ещё раз. Таким образом, небольшая постоянная избыточность наращивается в соответствии с помеховой ситуацией в реальном канале, что означает простоту и адаптивность систем с решающей обратной связью;

- применение шумоподобных сигналов – позволяет повысить верность передачи в условиях многолучевости распространения сигнала за счёт повышения отношения сигнал-шум на входе решающего устройства;

- адаптивная коррекция. Осуществление адаптивной коррекции характеристики канала связи позволяет повысить скорость передачи информации за счёт ослабления межсимвольных искажений;

- эффективное кодирование источника. Кодирование источника со сжатием данных позволяет сократить избыточность источников сигналов (например, речи) и тем самым повысить эффективность систем передачи информации.

Вопросы для самопроверки

1. Дайте определения критериям эффективности систем связи.

2. Какими методами можно осуществить обмен показателей эффективности  на  и  на  ?

3. Какова связь между помехоустойчивостью и эффективностью?

4. Перечислите методы повышения эффективности за счёт выбора способа модуляции и кодирования.

5. Перечислите методы повышения эффективности за счёт выбора способа передачи и обработки сигнала.

6. В каких каналах целесообразно применение корректирующих кодов не для снижения вероятности ошибки, а для увеличения энергетической эффективности?

7. Сравните системы с решающей обратной связью с системами без обратной связи, использующими коды с исправлением ошибок.

8. Какие факторы в реальных системах приводят к снижению эффективности по сравнению с предельной?