Учебное пособие по дисциплине СиСПИ

ного кода, порождаемые приходящим информационным символов, показаны около соответствующих переходов.

Из рис. 1.20 следует, что, начиная с третьего такта, структура кодового дерева повторяется, и каждое из 4 возможных состояний регистра определяется только двумя предшествующими состояниями. Например, состояние 01 на третьем такте имеет два входных пути по кодовому дереву, соответствующих информационным символам 110 и 010. Эти пути разошлись в такте 0 и слились в такте 3. В общем случае, если регистр кодирующего устройства содержит k ячеек и информационные символы перед каждым опросом коммутатора сдвигаются на q ячеек, то структура кодового дерева повторяется через k тактов, а пути сливаются через q(k-1) последовательно поступающих одинаковых информационных символов.

Для двоичного симметричного канала без памяти задачей оптимального декодирующего устройства, работающего по максимуму правдоподобия, является выбор такого пути по кодовому дереву, который имеет минимальное расстояние Хэмминга от принимаемой последовательности символов сверточного кода. Поскольку ветви дерева сливаются, то для декодирования по максимуму правдоподобия нет необходимости рассматривать всю полученную последовательность символов сверточного кода. Сразу после k-гo такта (на рис. 1.20 после 3-го такта) можно решить, какой один из 2q путей, ведущих в данное состояние, наиболее правдоподобен, а остальные пути исключить из дальнейшего рассмотрения. Это делается для каждого из 2q(k-1) состояний в данном такте. Затем декодирующее устройство переходит к следующему такту и процесс повторяется.

Рассмотрим, например, состояние 01 на третьем тракте (рис. 1.20). К этому состоянию ведут два пути по кодовому дереву: первый путь 110101, соответствующий информационным символам 110, и второй путь 001110, соответствующий информационным символам 010. Пусть, например, получена последовательность символов сверточного кода 000110. Эта последова-

70

тельность имеет расстояние Хэмминга dx=4 от первого пути и dx=1 от второго пути, и следовательно, первый путь можно исключить из дальнейшего рассмотрения.

Если окажется, что оба пути, ведущие в данное состояние, имеют одинаковое расстояние Хэмминга от принятой последовательности, т. е. они сливаются, то выбирается любой случайным образом и дальнейшие принимаемые символы никакой дополнительной информации об этих путях не дадут.

Описанное декодирование называется декодированием по методу Витерби. Таким образом, при декодировании по методу Витерби декодирующее устройство хранит в памяти множество из 2q(k-1) наиболее вероятных путей на каждом шаге декодирования. Окончательный выбор одного, наиболее вероятного пути, может осуществляться посредством передачи в конце сообщения, состоящего из N информационных символов, k-q заранее известных символов (например нулей, которые приводят декодирующее устройство в исходное состояние).

Как последовательное декодирование, так и декодирование но методу Витерби перспективно для использования в каналах с независимыми ошибками. Количество операций, необходимое для декодирования по методу Витерби N информационных символов, равно N/2q(k-1) Сложность декодирующего устройства, оцениваемая числом необходимых при декодировании операций, линейно зависит от N, что является достоинством этого метода. Однако количество операций экспоненциально зависит от k, поэтому этот метод используется лишь для относительно небольших k. Для всех сверточных кодов увеличение k, подобно увеличению длины кодового слова при блочном кодировании, при прочих равных условиях ведет к экспоненциальному уменьшению вероятности ошибки при декодировании. Поскольку сложность, последовательного декодирования мало зависит от k, его целесообразно применять при малых вероятностях ошибки на декодированный символ (р≤10-3-10-5[105]). При

71

больших вероятностях ошибки целесообразно декодирование по методу Витерби.

Особенностью сверточных кодов является то, что при их декодировании не нужна синхронизация перед началом передачи информации, тогда как для блочных кодов без синхронизации по словам правильное декодирование в большинстве случаев невозможно. Действительно, декодирующее устройство, несинхронизированное перед началом передачи, эквивалентно синхронизированному, но сделавшему одну или несколько ошибок. Моделирование показало, то через (3-5)k синхронизация устанавливается автоматически. Однако для этого требуется надежная синхронизация узлов кодового дерева, т. е. синхронизация по группам символов, соответствующих одному циклу опроса коммутатора сумматоров по модулю 2 в кодирующем устройстве сверточного кода.

72

2 МНОГОКАНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

2.1 Уплотнение информации в аналоговых системах связи.

Практически для всех типов современных радиосистем передачи информации характерна многоканальная передача, при которой по общему высокочастотному тракту радиосистемы передаются сообщения от многих источников. Число уплотняемых каналов в современных Ниже рассматриваются методы уплотнения и разделения каналов, прежде всего, применительно к ин- формационно-телеметрическим системам летательных аппаратов, хотя подобные методы находят применение и в других многоканальных системах. Основное внимание уделено нелинейному каскадному мажоритарному методу уплотнения, имеющему целый ряд достоинств по сравнению с другими методами. В настоящей главе рассматривается также структура информаци- онно-телеметрических систем летательных аппаратов и принципы организации работы бортовой сети сбора и распределения информации в этих системах.

Общие положения и классификация методов уплотнения и разделения каналов

Все используемые методы уплотнения и разделения каналов можно классифицировать на линейные и нелинейные. К линейным относятся такие, при которых операция уплотнения (разделения) осуществляется линейными устройствами с постоянными или переменными во времени параметрами. В противном случае метод уплотнения (разделения) будет нелинейным.

В большинстве случаев для осуществления операции уплотнения каналов уплотняемому источнику сообщений выделяется специальный сигнал, называемый канальным сигналом или поднесущим колебанием. Последнее название используется

73

в тех случаях, когда хотят подчеркнуть наличие в радиосистеме передачи информации несущей, общей для всех уплотняемых источников. Сообщения, поступающие от уплотняемых источников, сначала модулируют по какому-либо параметру выделенные источникам канальные сигналы, а затем промодулированные канальные сигналы объединяются, в результате чего устройством уплотнения формируется групповой сигнал. Если операция уплотнения линейна, то этот сигнал будет линейным групповым сигналом. Он в большинстве случаев образуется посредством линейного суммирования промодулированных канальных сигналов.

Если операция разделения каналов линейна, то устройство разделения представляет собой набор линейных избирательных цепей, каждая из которых выделяет из группового сигнала только свой канальный сигнал, и в идеальном случае совсем не реагирует на канальные сигналы, используемые другими уплотняемыми источниками сообщений. Для осуществления подобного идеального линейного разделения при линейном уплотнении необходимо и достаточно, чтобы промодулированные канальные сигналы составляли ансамбль линейнонезависимых сигналов. В качестве таких сигналов обычно используют ансамбли ортогональных сигналов, так как они при прочих равных условиях среди всех ансамблей линейнонезависимых сигналов обеспечивают наиболее высокую помехоустойчивость передачи по отношению к помехам, действующим в канале связи,

При линейном уплотнении каналов по виду признака, за счет которого обеспечивается ортогональность канальных сигналов, линейные методы разделения можно классифицировать на временное разделение каналов (ВРК), частотное разделение каналов (ЧРК) и разделение каналов по форме сигналов (РКФ). При ВРК канальные сигналы представляют собой последовательности импульсов, обычно прямоугольных, не перекрывающихся друг с другом по времени. При ЧРК канальные сигналы

74

представляют собой колебания, обычно гармонические, с не перекрывающимися частотными спектрами. При РКФ канальные сигналы, перекрываясь по времени и частоте, остаются ортогональными за счет их формы. Дальнейшую классификацию методов РКФ можно провести по конкретному типу используемых ортогональных сигналов. В частности, при РКФ используется фазовое разделение каналов, когда в качестве канальных сигналов используются два гармонических колебания одинаковой частоты, отличающиеся по фазе на π/2 и поэтому являющиеся ортогональными на своем периоде. При РКФ могут использоваться и другие ансамбли, содержащие большое число ортогональных сигналов. В частности, могут быть использованы классические ортогональные полиномы Лежандра, Чебышева и др. Такие методы разделения будут соответственно называться методами РКФ с классическими полиномиальными поднесущими.

Классические полиномиальные поднесущие являются непрерывными аналоговыми сигналами, и, следовательно, устройствам их генерирования и обработки свойственны известные недостатки, присущие всем аналоговым устройствам. Поэтому в настоящее время в теории и технике многоканальной передачи значительный интерес представляет использование в качестве канальных сигналов различных типов цифровых сигналов с большой базой, т. е. составных сигналов. Соответствующие методы разделения будут называться РКФ с поднесущими составными сигналами. В частности, ансамблем ортогональных двоичных составных сигналов является ансамбль функций Уолша. При их использовании к качестве канальных сигналов будем иметь РКФ с поднесущими Уолша.

Все используемые методы уплотнения каналов можно классифицировать на синхронные и асинхронные. При осуществлении синхронных методов линейного уплотнения каналов требуется обеспечить ортогональность промодулированных сообщениями Я поднесущих Si (t, λi) и Sj (t, λj), используемых в i-

75

м и j-м каналах, при фиксированном временном сдвиге т этих поднесущих. Это условие можно записать в виде

где pi,j- — взаимная корреляционная функция используемых поднесущих; Т — длительность (период) поднесущих.

Другими словами, при линейном синхронном уплотнении каналов требуется ортогональность в точке используемых канальных сигналов. Напротив, при асинхронном линейном уплотнении каналов требуется обеспечить ортогональность промодулированных канальных сигналов при их произвольном временном сдвиге τ. Примером сигналов, используемых при асинхронном линейном уплотнении каналов, могут быть гармонические сигналы с не перекрывающимися частотными спектрами. Таким образом, указанное выше ЧРК используется при асинхронном линейном уплотнении каналов. Вместе с тем, гармонические колебания одинаковой частоты, имеющие фазовый сдвиг π/2, классические ортогональные полиномы и многие типы составных сигналов, в частности функции Уолша, являются ортогональными в точке. Следовательно, фазовое разделение, РКФ с классическими полиномиальными поднесущими, РКФ с поднесущими Уолша могут быть использованы лишь при синхронном линейном уплотнении каналов.

Очевидно, ортогональность в точке является существенно менее жестким требованием к ансамблю используемых канальных сигналов, чем ортогональность при произвольном сдвиге. Поэтому при прочих равных условиях размер ансамбля сигналов, ортогональных в точке, существенно больше размера ансамбля сигналов, ортогональных при произвольном сдвиге. Вследствие этого при прочих равных условиях в системах передачи информации о синхронным линейным уплотнением и линейным разделением оказывается возможным уплотнение

76

большего числа каналов, чем в системах с асинхронным уплотнением. Поэтому всегда, когда это технически несложно осуществить при линейных методах уплотнения и разделения, для увеличения числа каналов, уплотняемых в отведенной системе полосе частот, целесообразно использовать синхронное уплотнение. В частности, при использовании в качестве канальных сигналов гармонически» колебаний с неперекрывающимися частотными спектрами можно вдвое увеличить число уплотняемых каналов, если от асинхронного уплотнения перейти к синхронному, используя на частоте каждой поднесущей фазовое разделение каналов. При подобном синхронном линейном уплотнении получим частотно-фазовое разделение каналов.

В тех случаях, когда организация синхронного уплотнения встречает существенные технические трудности, например, когда уплотняемые источники сообщений рассредоточены и их взаимное положение в пространстве меняется, используют асинхронное уплотнение каналов. Для линейного асинхронного уплотнения могут быть использованы ансамбли амплитудноманипулированных, частотно-манипулированных и фазоманипулированных составных сигналов, ортогональных при произвольном сдвиге. Методы синтеза ансамблей таких сигналов разработаны в последние годы в теории сигналов.

На практике в силу конечности длительности используемых канальных сигналов и ограниченности ширины полосы пропускания радиоприемного устройства всегда имеют дело не со строго ортогональными, а квазиортогональными канальными сигналами, для которых условие ортогональности выполняется приблизительно. Поэтому всегда отдельные каналы при разделении создают друг другу помехи, называемые междуканальными помехами, или шумами неортогональности. Уровень этих помех будет тем выше, чем больше величина взаимной корреляции между используемыми канальными сигналами, и чем больше канальные сигналов одновременно поступают на устройство уплотнения. Междуканальные помехи при линейном уплотне-

77

нии могут появиться также вследствие нелинейности характеристик отдельных устройств, через которые проходит линейный групповой сигнал до разделения каналов, т. е. устройств, составляющих групповой тракт радиосистемы передачи информации. Междуканальные помехи могут оказывать существенное влияние на характеристики радиосистемы, в частности, на качество передачи информации, и их учет необходим при выборе того или иного метода уплотнения и разделения каналов. Очевидно, можно рассматривать и обратную задачу — а именно: задавшись допустимым уровнем междуканальных помех, можно определить требования к взаимной корреляции используемых канальных сигналов и к линейности группового тракта радиосистемы.

При организации многоканальной передачи информации используемые для уплотнения канальные сигналы могут быть заранее определенным образом распределены между уплотняемыми источниками сообщений. При этом канальные сигналы, выделенные какому-либо уплотняемому источнику, в течение сеанса работы радиосистемы могут использоваться только этим и никаким другим источником. Такое уплотнение называется уплотнением с закрепленными каналами. Соответствующая многоканальная система передачи информации при этом будет также называться системой с закрепленными каналами. Распределение используемых канальных сигналов по уплотняемым источникам сообщений при этом может быть жестким, фиксированным на протяжении всего сеанса работы системы передачи информации, но может быть гибким и меняться в процессе работы в соответствии с определенными командами. Оба указанных режима работы с закрепленными каналами характерны, в частности, для многоканальных систем с ВРК. При этом в первом случае, т. е. при распределении каналов, фиксированном на протяжении всего сеанса работы, чтобы подчеркнуть факт неизменности частоты опроса и порядка коммутации уплотняемых каналов, метод разделения называют циклическим ВРК. Во вто-

78

ром случае, т. е. при изменении распределения канальных сигналов в процессе работы, поскольку команды на изменение порядка опроса е частоты коммутации каналов обычно вырабатываются в соответствии с некоторой программой, метод разделения каналов называют ВРК с программируемой коммутацией. Программа коммутации может быть составлена заранее, если априорно известны законы изменения свойств уплотняемых источников, например изменение во времени производительности уплотняемых источников. Программа коммутации при этом составляется таким образом, чтобы формируемые на ее основе команды позволили обеспечить возможно лучшее согласование частоты коммутации каналов с текущей производительностью уплотняемых источников.

На практике в ряде случаев отсутствуют априорные сведения о законах изменения производительности уплотняемых источников, хотя известно, что уплотняемые источники кусоч- но-стационарны. В этих случаях в самой системе передачи информации может изменяться текущая производительность уплотняемых источников, и на основании этих измерений формироваться программа коммутации каналов. При этом перед переходом на вновь сформированную программу коммутации сведения об этой программе необходимо передать на приемную сторону системы для организации правильного разделения каналов. Подобный метод разделения каналов называют ВРК с автопрограммируемой коммутацией. Очевидно, и при других методах разделения каналов можно аналогично организовать уплотнение с закрепленными каналами, и программируемым или автопрограммируемым распределением канальных сигналов по уплотняемым источникам.

Возможна и такая организация многоканальной передачи информации, когда канальные сигналы не распределяются заранее между уплотняемыми источниками, а выделяются каждому источнику по мере необходимости, т. е. когда у данного источника появляется информация, подлежащая передаче, или, как

79