Пропускная способность непрерывного канала связи. Пропускная способность канала связи
Пропускная способность систем передачи информации
Одной из основных характеристик любой системы передачи информации, кроме перечисленных выше, является ее пропускная способность.
Пропускная способность – максимально возможное количество полезной информации, передаваемое в единицу времени:
c = max{Imax} / TC ,
c = [бит/с].
Иногда скорость передачи информации определяют как максимальное количество полезной информации в одно элементарном сигнале:
s = max{Imax} / n,
s = [бит/элемент].
Рассмотренные характеристики зависят только от канала связи и его характеристик и не зависят от источника.
Пропускная способность дискретного канала связи без помех. В канале связи без помех информацию можно передавать неизбыточным сигналом. При этом число n = m, а энтропия элементарного сигнала HCmax = logK.
max{IC} = nHCmax= mHCmax .
Длительность элементарного сигнала , где – длительность элементарного сигнала.
где FC – спектр сигнала.
Пропускная способность канала связи без помех
Введем понятие скорости генерации элементарного сигнала источником информации:
Тогда, используя новое понятие, можно преобразовать формулу для скорости передачи информации:
Полученная формула определяет максимально возможную скорость передачи информации в дискретном канале связи без помех. Это следует из предположения о том, что энтропия сигнала максимальна.
Если HC < HCmax, то c = BHC и не является максимально возможной для данного канала связи.
Пропускная способность дискретного канала связи с помехами. В дискретном канале связи с помехами наблюдается ситуация, изображенная на рис. 6.
Учитывая свойство аддитивности, а также формулы Шеннона для определения количества информации, рассмотренные выше, можно записать
IC = TC FC log(AK PC),
IПОМ = TП FП log(APП).
Для получателя источник полезной информации и источник помехи равноценны, поэтому нельзя на приемной стороне выделить составляющую помехи в сигнале с результирующей информацией
IРЕЗ = TC FC log(AK (PП + PC)), если TC = TП, FC = FП.
Приемник может быть узкополосным, а помеха находиться в других интервалах частот. В этом случае она не будет влиять на сигнал.
Будем определять результирующий сигнал для наиболее “неприятного” случая, когда параметры сигнала и помехи близки друг к другу или совпадают. Полезная информация определяется выражением
Эта формула получена Шенноном. Она определяет скорость передачи информации по каналу связи в случае, если сигнал имеет мощность PC, а помеха – мощность PП. Все сообщения при такой скорости передадутся с абсолютной достоверностью. Формула не содержит ответа на вопрос о способе достижения такой скорости, но дает максимально возможное значение с в канале связи с помехами, то есть такое значение скорости передачи, при которой полученная информация будет абсолютно достоверной. На практике экономичнее допустить определенную долю ошибочности сообщения, хотя скорость передачи при этом увеличится.
Рассмотрим случай PC >> PП. Если ввести понятие отношения сигнал/шум
PC >> PП означает, что . Тогда
Полученная формула отражает предельную скорость мощного сигнала в канале связи. Если PC << PП, то с стремится к нулю. То есть сигнал принимается на фоне помех. В таком канале в единицу времени сигнал получить не удается. В реальных ситуациях полностью помеху отфильтровать нельзя. Поэтому приемник получает полезную информацию с некоторым набором ошибочных символов. Канал связи для такой ситуации можно представить в виде, изображенном на рис. 7, приняв источник информации за множество передаваемых символов {X}, а приемник – за множество получаемых символов {Y}.
Рис.7 Граф переходных вероятностей K- ичного канала связи
Между существует определенное однозначное соответствие. Если помех нет, то вероятность однозначного соответствия равна единице, в противном случае она меньше единицы.
Если qi – вероятность принятия yi за xi, a pij = p{yi / xi} – вероятность ошибки, то
.
Граф переходных вероятностей отражает конечный результат влияния помехи на сигнал. Как правило, он получается экспериментально.
Полезная информация может быть оценена как IПОЛ = nH(X · Y), где n – количество элементарных символов в сигнале; H(X · Y) – взаимная энтропия источника X и источника Y.
В данном случае источником X является источник полезной информации, а источником Y является приемник. Соотношение, определяющее полезную информацию, можно получить исходя из смысла взаимной энтропии: заштрихованный участок диаграммы определяет сообщения, переданные источником Xи полученные приемником Y; незаштрихованные участки отображают сигналы источника X, не дошедшие до приемника и полученные приемником посторонние сигналы, не передаваемые источником.
B – скорость генерации элементарных символов на выходе источника.
Для получения max нужно по возможности увеличить H(Y) и уменьшить H(Y/X). Графически эта ситуация может быть представлена совмещением кругов на диаграмме (Рис. 2г).
Если же круги вообще не пересекаются, X и Y существуют независимо друг от друга. В дальнейшем будет показано, как можно использовать общее выражение для максимальной скорости передачи при анализе конкретных каналов связи.
Характеризуя дискретный канал, используют два понятия скорости: техническая и информационная.
Под технической скоростью передачи RT, называемой также скоростью манипуляции, подразумевают число символов (элементарных сигналов), передаваемых по каналу в единицу времени. Она зависит от свойств линии связи и быстродействия аппаратуры канала.
С учетом различий в длительности символов техническая скорость определяется как
где - среднее время длительности символа.
Единицей измерения служит »бод» - это скорость, при которой за одну секунду передается один символ.
Информационная скорость или скорость передачи информации определяется средним количеством информации, которое передается по каналу за единицу времени. Она зависит как от характеристик конкретного канала (таких как объем алфавита используемых символов, технической скорости их передачи, статистического свойства помех в линии), так и от вероятностей поступающих на вход символов и их статистической взаимосвязи.
При известной скорости манипуляции скорость передачи информации по каналу задается соотношением:
,
где – среднее количество информации, переносимое одним символом.
Для практики важно выяснить, до какого предела и каким путем можно повысить скорость передачи информации по конкретному каналу. Предельные возможности канала по передаче информации характеризуются его пропускной способностью.
Пропускная способность канала с заданными переходными вероятностями равна максимуму передаваемой информации по всем входным распределениям символов источника X:
С математической точки зрения поиск пропускной способности дискретного канала без памяти сводится к поиску распределения вероятностей входных символов источника Х, обеспечивающего максимум переданной информации . При этом, на вероятности входных символов накладывается ограничение: 
, .
В общем случае, определение максимума при заданных ограничениях возможно с помощью мультипликативного метода Лагранжа. Однако такое решение требует чрезмерно больших затрат.
В частном случае для дискретных симметричных каналов без памяти пропускная способность (максимум , достигается при равномерном распределении входных символов источника X.
Тогда для ДСК без памяти, считая заданной вероятность ошибки ε и для равновероятных входных символов = = = =1/2, можно получить пропускную способность такого канала по известному выражению для :
где = – энтропия двоичного симметричного канала при заданной вероятности ошибки ε.
Интерес представляют граничные случаи:
1. Передача информации по бесшумному каналу (без помех):
, [бит/символ].
При фиксированных основных технических характеристиках канала (например, полосе частот, средней и пиковой мощности передатчика), которые определяют значение технической скорости, пропускная способность канала без помех будет равна [бит/сек].
Лекция №2
Каналы передачи данных. Качество и эффективность ТВС.
Вопросы:
Типы и сравнительные характеристики линий и каналов связи.
Пропускная способность каналов связи.
Качество и эффективность ТВС.
Цели и задачи изучения темы : получение представления о типах и сравнительных характеристиках линий и каналов связи, задачах физической передачи данных по линиям связи, основных качественных показателях систем передачи информации, пропускной способности, достоверности и надежности работы ТВС.
Изучив тему, студент должен:
знать понятие классификации каналов связи, пропускной способности, достоверности и надежности работы ТВС
иметь представление о каналах и линиях связи и их физической природе, их преимуществах и недостатках, пропускной способности и скорости передачи информации по каналу, надежности работы и достоверности передачи данных
Изучая тему, необходимо акцентировать внимание на следующих понятиях: линия связи, канал связи, канал передачи данных, симплексные, дуплексные, полудуплексные, коммутируемые, некоммутируемые каналы, коаксиальный кабель, волоконно-оптический кабель, витая пара, канал радиосвязи, пропускная способность канала связи, надежность ТКС, достоверность передачи данных
2.1. Типы и сравнительные характеристики линий и каналов связи.
Среда передачи данных – совокупность линий передачи данных и блоков взаимодействия (т.е. сетевого оборудования, не входящего в абонентские системы).предназначенных для передачи данных между абонентскими станциями. Среды передачи данных могут быть общего пользования или выделенные для конкретного пользователя.
Линия и канал связи это не одно и то же.
Линия связи (ЛС) – это физическая среда, по которой передаются информационные сигналы.
Канал связи (КС) – средства односторонней передачи данных по линии связи.
Канал передачи данных – состоит из линий связи, по которым передается сигнал и аппаратуры передачи данных, преобразующие данные в сигналы, соответствующие типу линии связи.
Классификация каналов связи показана на рис. 2.1
|
Каналы связи |
|
Механические |
|
Физическая природа Акустические |
|
Оптические |
|
Электрические |
|
Форма передаваемой Аналоговые |
|
информации Цифровые |
|
Направление Симплексные |
|
передаваемой Полудуплексные |
|
информации Дуплексные |
|
Пропускная Низкоскоростные |
|
способность Среднескоростные |
|
Высокоскоростные |
|
Наличие Коммутируемые |
|
коммутации Выделенные |
Рис 2.1. Классификация каналов связи
По физической природе ЛС и КС на их основе делятся на:
механические – используются для передачи материальных носителей информации;
акустические – передают звуковой сигал;
оптические – передают световой сигнал;
электрические – передают электрический сигнал.
Электрические и оптические КС могут быть:
проводными , использующими для передачи сигналов проводниковые линии связи (электрические провода, кабели, световоды и т. д.);
беспроводными (радиоканалы, инфракрасные каналы и т.д.), использующими для передачи сигналов электромагнитные волны, распространяющиеся по эфиру.
По форме представления передаваемой информации КС делятся на:
аналоговые - по аналоговым каналам передается информация, представленная в непрерывной форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой либо физической величины;
цифровые – по цифровым каналам передается информация, в виде цифровых сигналов.
В зависимости от возможных направлений передачи информации различают:
симплексные КС - когда передатчик и приемник соединяются одной линией связи, по которой информация передается только в одном направлении (это характерно для телевизионных сетей связи);
полудуплексные КС- когда два узла связи соединены так же одной линией, по которой информация передается попеременно то в одном направлении то в противоположном;
дуплексные КС - когда два узла связи соединены двумя линиями, по которым информация одновременно передается в противоположных направлениях.
По пропускной способности каналы КС можно разделить на:
низкоскоростные – скорость передачи информации в которых от 50 до 200 бит/сек; это телеграфные КС, как коммутируемые так и некоммутируемые;
среднескоростные - – скорость передачи информации в которых от 300 до 9600 бит/сек; это аналоговые (телефонные) КС;
высокоскоростные (широкополосные) КС, обеспечивают скорость передачи информации выше 56000 бит\сек.
Каналы связи могут быть:
коммутируемые ;
некоммутируемые .
Коммутируемые каналы создаются из отдельных участков только на время передачи по ним информации; по окончании передачи такой канал ликвидируется.
Некоммутируемые (выделенные) каналы создаются на длительное время и имеют постоянные характеристики по длине, пропускной способности, помехозащищенности.
Физической средой передачи информации в низкоскоростных и среднескоростных КС обычно являются проводные линии связи.
Для организации широкополосных КС используются различные кабели, в частности:
неэкранированные витые пары;
экранированные витые пары;
коаксиальные;
волоконно-оптические.
Неэкранированная витая пара – это изолированные проводники, попарно свитые между собой для уменьшения перекрестных наводок между проводниками.
Экранированная витая пара – это изолированные проводники, попарно свитые между собой и помещенные в экранированную проводящую оплетку, которую положено заземлять.
Коаксиальный кабель представляет собой медный проводник, покрытый диэлектриком и окруженный защитной экранирующей оболочкой.
Основу волоконно-оптического кабеля составляют стеклянные или пластиковые волокна диаметром от 5 до 100 микрон окруженные твердым заполнителем и помещенные в защитную оболочку.
В любой системе связи через канал передается информация. Скорость передачи информации зависит не только от самого канала, но и от свойств подаваемого на его вход сигнала и поэтому не может характеризовать канал как средство передачи информации. Характеристики системы связи в значительной мере зависят от параметров канала связи, который используется для передачи сообщений. Большинство реальных каналов обладают переменными параметрами, которые, как правило, изменяются во времени случайным образом. Однородный симметричный канал связи полностью определяется алфавитом передаваемого сообщения, скоростью передачи элементов сообщения и вероятностью ошибочного приема элемента сообщения Р ош (вероятностью ошибки).
Пропускной способностью канала называют максимальное значение скорости передачи информации по этому каналу. То есть, пропускная способность характеризует потенциальные возможности передачи информации.
Пропускная способность рассчитывается по формуле:
Для двоичного симметричного канала (m=2) пропускная способность в двоичных единицах на секунду (Бодах):
При пропускная способность двоичного канала С=0, поскольку при такой вероятности ошибки последовательность выходных двоичных символов можно получить, совсем не передавая сигналы по каналу, а выбирая их наугад (например, по результатам бросания монеты), т.е. последовательности на выходе и входе канала независимы. Случай С=0 называют обрывом канала. То, что пропускная способность при в двоичном канале такая же, как при (канал без шумов), объясняется тем, что при достаточно все выходные символы инвертировать (т.е. заменить 0 на 1 и 1 на 0), чтобы правильно восстановить входной сигнал.
Производительность источника информации равна:
кбит/с (7.3)
Рассчитаем пропускную способность канала с оптимальным приёмником по формуле
кбит/с(7.2):
В данном случае пропускная способность канала больше производительности источника. Это позволяет сделать вывод, что рассчитанный канал удовлетворяет условию Шеннона и может использоваться на практике для передачи аналоговых и цифровых сигналов.
Помехоустойчивое кодирование
приемник кодирование аналоговый сигнал
При передаче цифровых данных по каналу с шумом всегда существует вероятность того, что принятые данные будут содержать некоторый уровень частоты появления ошибок. Получатель, как правило, устанавливает некоторый уровень частоты появления ошибок, при превышении которого принятые данные использовать нельзя. Если частота ошибок в принимаемых данных превышает допустимый уровень, то можно использовать кодирование с исправлением ошибок., которое позволяет уменьшить частоту ошибок до приемлемой. В каналах с помехами эффективным средством повышения достоверности передачи сообщений является помехоустойчивое кодирование. Оно основано на применении специальных кодов, которые корректируют ошибки, вызванные действием помех. Код называется корректирующим, если он позволяет обнаруживать или обнаруживать и исправлять ошибки при приеме сообщений. Код, посредством которого только обнаруживаются ошибки, носит название обнаруживающего кода. Исправление ошибки при таком кодировании обычно производится путем повторения искаженных сообщений. Запрос о повторении передается по каналу обратной связи. Код, исправляющий обнаруженные ошибки, называется исправляющим кодом. В этом случае фиксируется не только сам факт наличия ошибок, но и устанавливается, какие кодовые символы приняты ошибочно, что позволяет их исправить без повторной передачи. Известны также коды, в которых исправляется только часть обнаруженных ошибок, а остальные ошибочные комбинации передаются повторно.
Для того чтобы код обладал корректирующими способностями, в кодовой последовательности должны содержаться дополнительные (избыточные) символы, предназначенные для корректирования ошибок. Чем больше избыточность кода, тем выше его корректирующая способность, но и тем ниже скорость передачи информации по каналу.
Корректирующие коды строятся так, чтобы количество комбинаций k превышало число сообщений n источника. Однако в этом случае используется лишь n комбинаций источника из общего числа для передачи информации. Такие комбинации называются разрешенными, а остальные - запрещенными. Приемнику известны все разрешенные и запрещенные комбинации. Если при приеме некоторого разрешенного сообщения, в результате ошибки, оно попадает в разряд запрещенных, то такая ошибка будет обнаружена, а также, при определенных условиях, исправлена. Следует заметить, что при ошибке, приводящей к появлению другого разрешенного сигнала, такая ошибка не обнаружима.
Таким образом, если комбинация на выходе оказывается запрещенной, то это указывает на то, что при передаче возникла ошибка. Отсюда видно, что избыточный код позволяет обнаружить, в каких принятых кодовых комбинациях имеются ошибочные символы. Безусловно, не все ошибки могут быть обнаружены. Существует вероятность того, что, несмотря на возникшие ошибки, принятая последовательность кодовых символов окажется разрешенной комбинацией (но не той, которая передавалась). Однако при разумном выборе кода вероятность необнаруженной ошибки (т.е. ошибки, которая переводит разрешенную комбинацию в другую разрешенную комбинацию) может быть сделана очень малой.
Эффективность помехоустойчивого кода возрастает при увеличении его длины, так как вероятность ошибочного декодирования уменьшается при увеличении длины кодируемого сообщения.
Все известные в настоящее время коды могут быть разделены на две большие группы: блочные и непрерывные. Блочные коды характеризуются тем, что последовательность передаваемых символов разделена на блоки. Операции кодирования и декодирования в каждом блоке производится отдельно. Непрерывные коды характеризуются тем, что первичная последовательность символов, несущих информацию, непрерывно преобразуется по определенному закону в другую последовательность, содержащую избыточное число символов. При этом процессы кодирования и декодирования не требует деления кодовых символов на блоки.
Разновидностями как блочных, так и непрерывных кодов являются разделимые (с возможностью выделения информационных и контрольных символов) и неразделимые коды. Наиболее многочисленным классом разделимых кодов составляют линейные коды. Их особенность состоит в том, что контрольные символы образуются как линейные комбинации информационных символов.
Расстоянием Хэмминга d между двумя последовательностями называется число позиций, в которых две последовательности отличаются друг от друга.
Ошибка обнаруживается всегда, если её кратность, т.е. число искаженных символов в кодовой комбинации: q
Чаще всего применяются систематические линейные коды, которые строятся следующим образом. Сначала строится простой код длиной n, т.е. множество всех n-последовательностей двоичных символов, называемых информационными. Затем к каждой из этих последовательностей приписывается r=p-n проверочных символов, которые получаются в результате некоторых линейных операций над информационными символами.
Простейший систематический код (n, n-1) строится путём добавления к комбинации из n-1 информационных символов одного проверочного, равного сумме всех информационных символов по модулю 2. Легко видеть, что эта сумма равна нулю, если среди информационных символов содержится чётное число единиц, и равна единице, если число единиц среди информационных символов нечётное. После добавления проверочного символа образуются кодовые комбинации, содержащие только чётное количество единиц. Такой код имеет, поскольку две различные кодовые комбинации, содержащие по четному числу единиц, не могут различаться в одном разряде. Следовательно, он позволяет обнаружить одиночные ошибки. Легко убедиться, что, применяя этот код в схеме декодирования с обнаружением ошибок, можно обнаруживать все ошибки нечетной кратности. Для этого достаточно подсчитать число единиц в принятой комбинации и проверить, является ли оно четным. Если при передаче комбинации произойдут ошибки в нечетном числе разрядов q, то принятая комбинация будет иметь нечетный вес и, следовательно, окажется запрещенной. Такой код называют кодом с одной проверкой на четность.
Простейшим примером кода с проверкой на четность является код Бодо, в котором к пятизначным комбинациям информационных символов добавляется шестой контрольный символ. Вероятность необнаруженной кодом ошибки при независимых ошибках определяется биномиальным законом:
где - число ошибочных комбинаций:
Таким образом, учитывая, что, используя формулы (8.1) и (8.2), найдём вероятность необнаружения ошибки:
Определим избыточность рассчитанного канала связи, используя результаты расчётов, произведённых в параграфе 7, используя результаты формул (7.2) и (7.3):
Избыточность кода Бодо (6,5)
Избыточность кода Хэмминга (7,4)
При сравнении (8.3), (8.4) и (8.5) заметно, что избыточность канала позволяет применить только обнаруживающий код Бодо (6,5) с проверкой на чётность.
Рассчитаем вероятность ошибки корректирующего кода, учитывая оставшееся свободное время (см. п. 3):
Как следует из выражения (8.6), нет смысла применять помехоустойчивое кодирование, потому что высока вероятность ошибки корректирующего кода.
Тема 2.5. Пропускная способность канала связи
В любой системе связи через канал передаётся информация. Её скорость передачи зависит не только от самого канала, но и от свойств подаваемого на его вход сигнала и поэтому не может характеризовать канал как средство передачи информации. Найдём способ оценки способности канала передавать информацию. Для каждого источника количество информации, переданной по каналу принимает своё значение.
Максимальное количество переданной информации, взятое по всевозможным источникам входного сигнала, характеризует сам канал и называется пропускной способностью канала в расчёте на один символ:
Бит/ симв.
(где максимизация производится по всем многомерным распределениям вероятностей Р(А))
Можно также определить пропускную способность С канала в расчёте на единицу времени.
Вычислим пропускную способность симметричного канала без памяти
(2.26)
Величина 
в данном случае легко вычисляется, поскольку условная (переходная) вероятность принимает только два значения: , если и (1-Р), если .
Первое из этих значений возникает с вероятностью Р, а второе – с вероятностью (1-Р). К тому же, поскольку рассматривается канал без памяти, результаты приёма отдельных символов независимы друг от друга.
(2.27)
Следовательно Н(В/А) не зависит от распределения вероятности в ансамбле А, а определяется только переходными вероятностями канала. Это свойство сохраняется для всех моделей с аддитивным шумом.
Подставив (2.27) в (2.26) получим:
Поскольку в правой части только член Н(В) зависит от распределения вероятности Р(А), то максимизировать необходимо именно его.
Максимальное значение Н(В) равно log m и реализуется оно тогда, когда все принятые символы равновероятны и независимы друг от друга. Легко убедиться, что это условие удовлетворяется, если входные символы равновероятны и независимы, поскольку в этом случае
При этом и
Отсюда пропускная способность в расчёте на единицу времени
Для двоичного симметричного канала (m=2) пропускная способность в двоичных единицах в единицу времени
Зависимость от Р согласно формуле (2.31)
При Р=1/2 пропускная способность двоичного канала С=0, поскольку при такой вероятности ошибки последовательность выходных двоичных символов можно получить совсем не передавая сигналы по каналу, а выбирая их наугад (например, по результатам бросания монеты), то есть при Р=1/2 последовательности на выходе и входе канала независимы. Случай С=0 называется обрывом канала. То, что пропускная способность при P=1 в двоичном канале такая же, как при Р=0 (канал без шумов), объясняется тем, что при Р=1 достаточно все выходные символы инвертировать (то есть заменить 0 на 1 и 1 на 0), чтобы правильно восстановить входной сигнал.
Пропускная способность непрерывного канала вычисляется аналогично. Пусть, например, канал имеет ограниченную полосу пропускания шириной F. Тогда сигналы U(t) и Z(t) соответственно на входе и выходе канала по теореме. Котельникова определяются своими отсчётами, взятыми через интервал 1/(2F), и поэтому информация, проходящая по каналу за некоторое время Т, равна, сумме количества информации, переданной за каждый такой отсчёт. Пропускная способность канала на один такой отсчёт:
Здесь U и Z – случайные величины – сечения процессов U(t) и Z(t) на входе и выходе канала соответственно и максимум берётся по всем допустимым входным сигналам, то есть по всем распределениям U.
Пропускная способность С определяется как сумма значений , взятая по всем отсчётам за секунду. При этом разумеется дифференциальные энтропии в (2.35) должны вычисляться с учётом вероятностных связей между отсчётами.
Вычислим пропускную способность непрерывного канала без памяти с аддитивным белым гауссовским шумом, имеющим полосу пропускания шириной F, если средняя мощность сигнала . Мощность (дисперсию) шума в полосе F обозначим . Отсчёты выходного и входного сигналов, а также шума N связаны равенством:
Так как N имеет нормальное распределение с нулевым математическим ожиданием, то и условная плотность вероятности при фиксированном U будет так же нормальной – с математическим ожиданием U и дисперсией .
Пропускная способность на один отсчёт определятся по формуле (2.32):
Согласно (2.24) условная дифференциальная энтропия h(Z/U) нормального распределения не зависит от математического ожидания и равна . Поэтому для нахождения следует найти такую плотность распределения , при которой максимизируется h(Z). Из (2.33) учитывая, что U и N независимые случайные величины имеем для дисперсий
Таким образом, дисперсиия фиксирована, так как и заданы. Как известно, при фиксированной дисперсии максимальная дифференциальная энтропия обеспечивается нормальным распределением. Из (2.33) видно, что при нормальном одномерном распределении U распределение Z будет так же нормальным и, следовательно, обеспечивается максимум дифференциальной энтропии (2.24).
(2.34)
Переходя к пропускной способности С в расчёте на секунду, заметим, что информация, переданная за несколько отсчётов, максимальна в том случае, когда отсчёты сигналов независимы. Этого можно достичь, если сигнал U(t) выбрать так, чтобы его спектральная плотность была равномерной в полосе F. Отсчёты разделённые интервалами, кратными 1/(2F), взаимно некоррелированы, а для гауссовских величин некоррелированность означает независимость. Поэтому пропускную способность С (за секунду) можно найти, сложив пропускные способности (2.35) для 2F независимых отсчётов:
(2.36)
Она реализуется, если U(t) – гауссовский процесс с равномерной спектральной плотностью в полосе частот F (квазибелый шум).
Из (2.36) видно, что если бы мощность сигнала не была ограничена, то пропускная способность была бы сколь угодно большой. Пропускная способность равна нулю, если отношение сигнал-шум в канале равно нулю. С ростом этого отношения пропускная способность увеличивается неограниченно, однако медленно, вследствие логарифмической зависимости.
Соотношение (2.36) называется формулой Шеннона. Эта формула имеет важное значение в теории информации, так как определяет зависимость пропускной способности рассматриваемого непрерывного канала от таких его технических характеристик, как ширина полосы пропускания и отношение сигнал шум. Формула Шеннона указывает на возможность обмена полосы пропускания на мощность сигнала и наоборот. Однако поскольку С зависит от F линейно, а от – по логарифмическому закону, компенсировать возможное сокращение полосы пропускания увеличением мощности сигнала, как правило, не выгодно. Более эффективным является обратный обмен мощности сигнала на полосу пропускания.
Максимальный объём информации, которую можно в среднем передать по непрерывному каналу за время ,
Для гауссовского канала
(2.37)
Заметим, что при Выражение (2.37) совпадает с характеристикой названной ёмкостью (объёмом) канала.
На рис. 1 приняты следующие обозначения: X, Y, Z, W – сигналы, сообщения; f – помеха; ЛС – линия связи; ИИ, ПИ – источник и приемник информации; П – преобразователи (кодирование, модуляция, декодирование, демодуляция).
Существуют различные типы каналов, которые можно классифицировать по различным признакам:
1.По типу линий связи: проводные; кабельные; оптико-волоконные;
линии электропередачи; радиоканалы и т.д.
2. По характеру сигналов: непрерывные; дискретные; дискретно-непрерывные (сигналы на входе системы дискретные, а на выходе непрерывные, и наоборот).
3. По помехозащищенности: каналы без помех; с помехами.
Каналы связи характеризуются:
1. Емкость канала определяется как произведениевремени использования канала T к, ширины спектра частот, пропускаемых каналом F к и динамического диапазона D к . , который характеризует способность канала передавать различные уровни сигналов
V к = T к F к D к. (1)
Условие согласования сигнала с каналом:
V c £ V k ; T c £ T k ; F c £ F k ; V c £ V k ; D c £ D k .
2.Скорость передачи информации – среднее количество информации, передаваемое в единицу времени.
3.
4. Избыточность – обеспечивает достоверность передаваемой информации (R = 0¸1).
Одной из задач теории информации является определение зависимости скорости передачи информации и пропускной способности канала связи от параметров канала и характеристик сигналов и помех.
Канал связи образно можно сравнивать с дорогами. Узкие дороги – малая пропускная способность, но дешево. Широкие дороги – хорошая пропускная способность, но дорого. Пропускная способность определяется самым «узким» местом.
Скорость передачи данных в значительной мере зависит от передающей среды в каналах связи, в качестве которых используются различные типы линий связи.
Проводные:
1. Проводные – витая пара (что частично подавляет электромагнитное излучение других источников). Скорость передачи до 1 Мбит/с. Используется в телефонных сетях и для передачи данных.
2. Коаксиальный кабель. Скорость передачи 10–100 Мбит/с – используется в локальных сетях, кабельном телевидении и т.д.
3. Оптико-волоконная. Скорость передачи 1 Гбит/с.
В средах 1–3 затухание в дБ линейно зависит от расстояния, т.е. мощность падает по экспоненте. Поэтому через определенное расстояние необходимо ставить регенераторы (усилители).
Радиолинии:
1.Радиоканал. Скорость передачи 100–400 Кбит/с. Использует радиочастоты до 1000 МГц. До 30 МГц за счет отражения от ионосферы возможно распространение электромагнитных волн за пределы прямой видимости. Но этот диапазон сильно зашумлен (например, любительской радиосвязью). От 30 до 1000 МГц – ионосфера прозрачна и необходима прямая видимость. Антенны устанавливаются на высоте (иногда устанавливаются регенераторы). Используются в радио и телевидении.
2.Микроволновые линии. Скорости передачи до 1 Гбит/с. Используют радиочастоты выше 1000 МГц. При этом необходима прямая видимость и остронаправленные параболические антенны. Расстояние между регенераторами 10–200 км. Используются для телефонной связи, телевидения и передачи данных.
3. Спутниковая связь . Используются микроволновые частоты, а спутник служит регенератором (причем для многих станций). Характеристики те же, что у микроволновых линий.
2. Пропускная способность дискретного канала связи
Дискретный канал представляет собой совокупность средств, предназначенных для передачи дискретных сигналов .
Пропускная способность канала связи – наибольшая теоретически достижимая скорость передачи информации при условии, что погрешность не превосходит заданной величины.Скорость передачи информации – среднее количество информации, передаваемое в единицу времени. Определим выражения для расчета скорости передачи информации и пропускной способности дискретного канала связи.
При передаче каждого символа в среднем по каналу связи проходит количество информации, определяемое по формуле
I (Y, X) = I (X, Y) = H(X) – H (X/Y) = H(Y) – H (Y/X) , (2)
где: I (Y, X) – взаимная информация, т.е.количество информации, содержащееся в Y относительно X ; H(X) – энтропия источника сообщений; H (X/Y) – условная энтропия, определяющая потерю информации на один символ, связанную с наличием помех и искажений.
При передаче сообщения X T длительности T, состоящего из n элементарных символов, среднее количество передаваемой информации с учетом симметрии взаимного количества информации равно:
I(Y T , X T) = H(X T) – H(X T /Y T) = H(Y T) – H(Y T /X T) = n . (4)
Скорость передачи информации зависит от статистических свойств источника, метода кодирования и свойств канала.
Пропускная способность дискретного канала связи
. (5)
Максимально-возможное значение, т.е. максимум функционала ищется на всем множестве функций распределения вероятности p(x) .
Пропускная способность зависит от технических характеристик канала (быстродействия аппаратуры, вида модуляции, уровня помех и искажений и т.д.). Единицами измерения пропускной способности канала являются: , , , .
2.1 Дискретный канал связи без помех
Если помехи в канале связи отсутствуют, то входные и выходные сигналы канала связаны однозначной, функциональной зависимостью.
При этом условная энтропия равна нулю, а безусловные энтропии источника и приемника равны, т.е. среднее количество информации в принятом символе относительно переданного равно
I (X, Y) = H(X) = H(Y); H (X/Y) = 0.
Если Х Т – количество символов за время T , то скорость передачи информации для дискретного канала связи без помех равна
(6)где V = 1/ – средняя скорость передачи одного символа.
Пропускная способность для дискретного канала связи без помех
(7)
Т.к. максимальная энтропия соответствует для равновероятных символов, то пропускная способность для равномерного распределения и статистической независимости передаваемых символов равна:
. (8)
Первая теорема Шеннона для канала:Если поток информации, вырабатываемый источником, достаточно близок к пропускной способности канала связи, т.е.
, где - сколь угодно малая величина,
то всегда можно найти такой способ кодирования, который обеспечит передачу всех сообщений источника, причем скорость передачи информации будет весьма близкой к пропускной способности канала.
Теорема не отвечает на вопрос, каким образом осуществлять кодирование.
Пример 1. Источник вырабатывает 3 сообщения с вероятностями:
p 1 = 0,1; p 2 = 0,2 и p 3 = 0,7.
Сообщения независимы и передаются равномерным двоичным кодом (m = 2 ) с длительностью символов, равной 1 мс. Определить скорость передачи информации по каналу связи без помех.
Решение: Энтропия источника равна
[бит/с].
Для передачи 3 сообщений равномерным кодом необходимо два разряда, при этом длительность кодовой комбинации равна 2t.
Средняя скорость передачи сигнала
V =1/2 t = 500 .
Скорость передачи информации
C = vH = 500 × 1,16 = 580 [бит/с].
2.2 Дискретный канал связи с помехами
Мы будем рассматривать дискретные каналы связи без памяти.
Каналом без памяти называется канал, в котором на каждый передаваемый символ сигнала, помехи воздействуют, не зависимо от того, какие сигналы передавались ранее. То есть помехи не создают дополнительные коррелятивные связи между символами. Название «без памяти» означает, что при очередной передаче канал как бы не помнит результатов предыдущих передач.