ТЭС-уч.-к Дормидонт
.pdf
УДК 621.391 (075) ББК 32.8 я 7
ТЗЗ
Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
Рецензенты:
Доктор технических наук, профессор Кумунжиев К.В.
Кафедра радиоэлектроники Ульяновского высшего военного инженерного училища связи
Авторы: К.К. Васильев, В.А. Глушков, А.В. Дормидонтов, А.Г. Нестеренко
Теория электрической связи: учебное пособие / К.К. Васильев, В.А. Глуш- Т 33 ков, А.В. Дормидонтов, А.Г. Нестеренко; под общ. ред. К.К. Васильева. -
Ульяновск: УлГТУ, 2008. - 452 с. ISBN 978-5-9795-0203-8
Излагаются основные закономерности и методы анализа потенциальной помехоустойчивости и пропускной способности каналов связи. Рассматриваются параметры и характеристики сообщений, сигналов и помех, их математические модели, методы формирования и преобразования сигналов, вопросы теории передачи и кодирования сообщений, алгоритмы цифровой обработки сигналов, основные модели каналов электросвязи, принципы многоканальной связи и распределения информации, вопросы оценки эффективности систем связи и теоретико-информационные основы криптозащиты сообщений в телекоммуникационных системах.
Книга предназначена студентам, обучающимся по направлению 654400 - Телекоммуникации.
УДК 621.391 (075) ББК 32.8 я 7
© Васильев К. К., Глушков В. А., Дормидонтов А. В., Нестеренко А. Г., 2008
ISBN 978-5-9795-0203-8 © Оформление. УлГТУ, 2008
ПРЕДИСЛОВИЕ
Пособие написано на основе опыта чтения авторами лекций по теории электрической связи. Базируясь на ранее опубликованных изданиях [8, 9, 12, 13, 14, 15], авторы обобщили и собрали воедино материалы [1, 17, 20, 22, 34], опубликованные в последние годы, дополнив их новыми информационными технологиями. Основными особенностями настоящего пособия является рассмотрение вопросов корреляционного анализа; эталонной модели взаимодействия открытых систем как единой идеологии проектирования систем связи; комплексного представления сигналов; некоторых методов модуляции, таких как квадратурная относительно-фазовая манипуляция и частотная модуляция с непрерывной фазой; методы сжатия дискретных сообщений; более детальное рассмотрение некоторых методов помехоустойчивого кодирования (коды БЧХ, Рида-Соломона, Рида-Маллера); уделено особое внимание методам приема сигналов в сложных условиях и теоретико-информационным основам криптозащиты сообщений в телекоммуникационных системах.
Настоящее учебное пособие состоит из десяти глав, в которых последовательно рассматриваются основополагающие вопросы теории электрической связи. Остановимся более подробно на содержании глав.
Впервой главе пособия рассматриваются сообщения, сигналы и помехи, их математические модели, временное и спектральное представление сигналов и помех.
Во второй главе представлены методы формирования и преобразования дискретных сигналов, временные и спектральные характеристики манипулированных сигналов.
Втретьей главе пособия анализируются оптимальные методы приема при различных видах передачи и способы реализации потенциальной помехоустойчивости.
Вчетвертой главе пособия рассматриваются основные понятия теории информации и дискретных систем обработки информации.
Пятая глава пособия посвящена анализу помехоустойчивых кодов, их классификации и сравнительным оценкам, на примере двоичных кодов, наиболее часто встречающихся в практике при проектировании и эксплуатации дискретных устройств.
Вшестой главе пособия обобщены вопросы импульсных и цифровых методов передачи непрерывных сигналов.
Вседьмой главе пособия анализируются методы передачи сигналов в условиях помех, решаются вопросы защиты каналов от замираний, межсимвольной интерференции и сосредоточенных помех, при передаче различных видов сообщений.
Ввосьмой главе пособия описываются физические явления и процессы, лежащие в основе многоканальной связи, вопросы объединения и разделения каналов, а также принципы построения систем множественного доступа и протоколы их реализации.
Вдевятой главе пособия рассмотрены вопросы оценки эффективности систем связи при заданной помехоустойчивости.
Вдесятой главе изложены классические методы шифрования и современные криптологические методы, алгоритмы, протоколы и системы как методы и средства защиты информации в компьютерных системах и системах связи.
Работа по написанию пособия распределилась следующим образом:
Главы 1 (кроме пп. 1.2.4, 1.6.2, 1.7), 2, 3 (кроме п. 3.1) написаны В. А.
Глушковым, глава 4 - А. Г. Нестеренко, пп. 1.7, 3.1 - К. К. Васильевым, главы 6, 7 (кроме § 7.5), пп. 5.1, 5.2 - А. Г. Нестеренко, главы 8 (кроме пп. 8.1.2, 8.1.3), 9
-В. А. Глушковым, глава 10 - А. Г. Нестеренко, пп. 1.2.4, 1.6.2, 7.5, 8.1.2, 8.1.3 -
А. В. Дормидонтовым. Глава 5 (кроме пп. 5.1, 5.2) повторяет материал учебного пособия: Васильев К. К., Новосельцев J1. Я., Смирнов В. Н. Основы теории помехоустойчивых кодов : учеб. пособие. - Ульяновск : УлГТУ, 2000.
Редактирование всех глав пособия выполнено К. К. Васильевым.
|
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ |
АКФ |
автокорреляционная функция; |
АМн |
амплитудная манипуляция; |
АИМ |
амплитудно-импульсная модуляция; |
АЦП |
аналого-цифровое преобразование; |
БГШ |
белый гауссовский шум; |
БПФ |
быстрое преобразование Фурье; |
БЧХ |
Боуза-Чоудхури-Хоквингема; |
ВКФ |
взаимно-корреляционная функция; |
ВРК |
временное разделение каналов; |
ДДИМ |
двухсторонняя длительно-импульсная модуляция; |
ДИМ |
длительно-импульсная модуляция; |
ДК |
дискретный канал; |
ДМ |
дельта-модуляция; |
ДНК |
дискретно-непрерывный канал; |
ДПФ |
дискретное преобразование Фурье; |
ДСКБП |
дискретный симметричный канал без памяти; |
ИКМ |
импульсно-кодовая модуляция; |
КРК |
кодовое разделение каналов; |
КТЧ |
канал тональной частоты; |
МСД |
многостанционный доступ; |
МСИ |
межсимвольная интерференция; |
МЧС |
многочастотный сигнал; |
НВ |
наиболее вероятное; |
НК |
непрерывный канал; |
НОД |
наибольший общий делитель; |
НОК |
наименьшее общее кратное; |
ОДИМ |
односторонняя длительно-импульсная модуляция; |
ОСШ |
отношение сигнал/шум; |
ОФМн |
относительная фазовая манипуляция; |
ПАКФ |
периодическая автокорреляционная функция; |
ПВКФ |
периодическая взаимно-корреляционная функция; |
ППРЧ |
псевдослучайное переключение рабочих частот; |
ПСП |
псевдослучайная последовательность; |
PC |
Рида-Соломона; |
СКК |
сигнально-кодовые конструкции; |
СПМ |
спектральная плотность мощности; |
СФ |
согласованный фильтр; |
СЭС |
система электрической связи; |
УМ |
угловая модуляция; |
ФИМ |
фазоимпульсная модуляция; |
ФМн |
фазовая манипуляция; |
ФМ-ПСС |
фазовая манипуляция псевдослучайными сигналами; |
ФМ-ШПС |
манипуляции широкополосными сигналами; |
ЦАП |
цифро-аналоговое преобразование; |
ЦСП |
цифровые системы передачи; |
ЧИМ |
частотно-импульсная модуляция; |
ЧМн |
частотная манипуляция; |
ЧРК |
частотное разделение каналов; |
ШИМ |
широтно-импульсная модуляция; |
А, В,С
A(t) = S 2 (t) + S 2 (t)
B = F T
C
C '
C ''
Cni
Dx
Dc
d(s1, s2 ) d(C1,C2 )
t2
E = ∫S 2 (t)dt
t1
E(x)
F()
∆Fc
f =1 / T
∆fзащ
G(ω) g(t) g, g '
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
-случайные события;
-огибающая сигнала, мгновенная амплитуда;
-база сигнала;
-пропускная способность канала (бит/с), множество сообщений источника;
-пропускная способность канала (бит/символ или бит/отсчет), множество разрешенных кодовых слов;
-множество возможных кодовых слов;
-число сочетаний из n по i;
-дисперсия случайной величины или процесса;
-динамический диапазон;
-расстояние между сигнальными точками
расстояние по Хеммингу между двоичными последовательностями, минимальное расстояние по Хеммингу между комбинациями линейного блокового кода;
-энергия сигнала;
-ошибка в оценивании случайного параметра или процесса, шум наблюдения или квантования;
-функция распределения вероятностей;
-ширина спектра сигнала (канала);
-циклическая частота;
-защитный интервал частот;
-спектральная плотность мощности;
-импульсная характеристика линейной цепи;
-выигрыш и обобщенный выигрыш системы модуляции;
H ( X ), H ( X / Y ) |
|
|
- энтропия и условная энтропия дискретной случайной ве- |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
личины (дискретного источника); |
H '( X ) |
|
|
|
|
- производительность дискретного источника; |
||||||
h( X ), h( X / Y ) |
|
|
- дифференциальная энтропия и условная |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дифференциальная энтропия непрерывной случайной ве- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
личины; |
h2 = |
|
|
E |
|
|
|
|
|
- отношение энергии элемента сигнала на входе |
||
|
N0 |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
демодулятора к односторонней спектральной плотности |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мощности белого шума; |
h |
2 |
= |
|
P |
= |
|
h2 |
|
- отношение нормированной энергии сигнала на 1 бит |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Э |
|
|
|
N0 RИ |
|
R log2 |
m |
информации (битовой энергии) к односторонней спек- |
|||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тральной плотности мощности белого шума; |
I (xi ) |
|
|
|
|
- количество информации в отдельно взятом единичном |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сообщении xi ; |
I ( X ,Y ) |
|
|
|
|
- количество информации, переданной по дискретному ка- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
налу; |
j |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- знак мнимой единицы, j = −1 ; |
KСЖ |
|
|
|
|
|
|
|
- коэффициент сжатия источника; |
|||
K |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- объем алфавита дискретного источника; |
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- число информационных символов в кодой комбинации; |
mАМ |
|
|
|
|
|
|
|
- индекс амплитудной модуляции; |
|||
mУМ |
|
|
|
|
|
|
|
- индекс угловой модуляции; |
|||
mx |
= M {X} |
|
|
|
- математическое ожидание случайной величины (процес- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
са); |
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- основание кода (объем алфавита кода); |
|
N0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- односторонняя (на положительных частотах) спектраль- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ная плотность мощности квазибелого и белого шума; |
n(t) |
|
|
|
|
|
- аддитивный белый гауссовский шум; |
|
nср |
|
|
|
|
|
- среднее число символов на одну букву; |
|
n |
|
|
|
|
|
- длина (общее число символов) кодовой комбинации; |
|
P(t) = S2 (t) |
- мгновенная мощность сигнала S(t) ; |
||||||
P = |
|
1 t2 |
S 2 (t)dt |
- средняя мощность сигнала; |
|||
|
|
|
|
||||
|
T ∫t |
|
|||||
cp |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
P(), Px |
|
|
- безусловная вероятность события, указанного в скобках |
||||
|
|
|
|
|
|
|
или обозначенного индексом; |
p(xi ) |
|
|
|
|
- вероятность появления символа алфавита; |
||
p( yi |
/ xi ) |
|
|
- переходные вероятности появления символа y при |
|||
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
условии передачи символа xi ; |
pb ( pЭ ) |
|
|
- вероятность ошибки на один информационный бит |
||||
|
|
|
|
|
|
|
(эквивалентная вероятность ошибки) |
pош |
|
|
|
|
|
- вероятность ошибочного приема символа; |
|
R = |
k |
|
|
|
|
- скорость кода; |
|
n |
|
|
|
|
|
||
RИ = |
R log2 m |
|
- максимальная производительность при R =1 |
||||
|
|
T |
|
||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
(информационная скорость) дискретного источника |
|
|
|
|
|
|
|
(бит/с), скорость передачи информации; |
r = n −k |
|
|
- число проверочных символов в кодовых комбинациях |
||||
|
|
|
|
|
|
|
блочного кода; |
R(τ) |
|
|
|
|
|
- нормированная функция корреляции, коэффициент |
|
|
|
|
|
|
|
|
корреляции; |
S =T /τ0 |
|
|
- скважность импульсной последовательности; |
||||
S(t) |
|
|
|
|
|
- случайный сигнал на выходе модулятора; |
|
S(t) |
|
|
|
|
|
- комплексный (аналитический) сигнал; |
|
S(t)
= ds(t) = ϕ Sφ dt tg
S(Ω)
s(t)
T
t
U (t)
u(t)
VИ
W (C)
Wj
w(x, t)
X,Y
x(t), y(t)
α
β(M ) = ∆fΣ
∆f1
β = |
|
R |
|
|
P / N |
0 |
|||
|
||||
|
c |
|
||
δ()
-преобразование Гильберта от сигнала S(t) ;
-крутизна фронта колоколообразного импульса;
-спектральная плотность сигнала по Фурье;
-реализация случайного сигнала на выходе передатчика;
-длительность тактового интервала, длительность финитного сигнала, знак транспонирования матрицы;
-текущее время;
-случайный сигнал на входе приемника (детектора) без учета аддитивных помех;
-реализация случайного сигнала на входе приемника (детектора) без учета аддитивных помех;
-скорость передачи (число символов в секунду) дискретного источника (канала), число отсчетов в одну секунду непрерывного сигнала;
-вес кодового слова;
-функция Уолша;
-одномерная плотность распределения вероятности случайной величины (случайного процесса);
-алфавит сообщений на входе и выходе дискретного канала;
-вектор (цепочка символов) сообщений на входе и выходе дискретного канала;
-коэффициент группирования ошибок;
-спектральная цена уплотнения;
-коэффициент использования канала по мощности (энергетическая эффективность системы);
-дельта-функция;