Радиотехнические системы передачи информации
Покупка
Тематика:
Радиотехника
Год издания: 2015
Кол-во страниц: 196
Дополнительно
Доступ онлайн
180 ₽
В корзину
Рассматриваются общие положения статистической теории передачи сигналов. Вводятся математические модели сигналов и помех, описаны основные преобразования, которым подвергаются сигналы в процессе их передачи и приема. Рассмотрены базовые элементы устройств, осуществляющих указанные преобразования. Рассмотрены также базовые методы аналоговой и цифровой модуляции, используемые в современных системах передачи информации. Большое внимание уделено вопросам кодирования сигналов: для сокращения избыточности или для повышения помехозащищенности. Освещены методы приема сигналов в когерентных и некогерентных системах связи при наличии шума, а также в условиях многолучевости. Дан анализ методов многостанционного доступа с частотным, временным и кодовым разделением каналов. Определены принципы обмена информацией в телекоммуникационных сетях. Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки (специальность) - 11.04.01 - "Радиотехника". Магистерская программа подготовки: «Радиоэлектронные устройства передачи информации». Форма обучения - очная
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение выс шего профессионального образования ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) КАФЕДРА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ (РТС) Ю.П. Акулиничев, А.С. Бернгардт РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ Учебное пособие Томск 2015
Ю.П. Акулиничев, А.С. Бернгардт. Радиотехнические системы передачи информации: Учебное пособие. – Томск: 2015. -196 с. Рассматриваются общие положения статистической теории передачи сигналов. Вводятся математические модели сигналов и помех, описаны основные преобразования, которым подвергаются сигналы в процессе их передачи и приема. Рассмотрены базовые элементы устройств, осуществляющих указанные преобразования. Рассмотрены также базовые методы аналоговой и цифровой модуляции, используемые в современных системах передачи информации. Большое внимание уделено вопросам кодирования сигналов: для сокращения избыточности или для повышения помехозащищенности. Освещены методы приема сигналов в когерентных и некогерентных системах связи при наличии шума, а также в условиях многолучевости. Дан анализ методов многостанционного доступа с частотным, временным и кодовым разделением каналов. Определены принципы обмена информацией в телекоммуникационных сетях. Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки (специальность) – 11.04.01 — "Радиотехника". Магистерская программа подготовки: «Радиоэлектронные устройства передачи информации». Форма обучения – очная
ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ………………..….………………………………….………….. 5 1 2 3 4 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СИГНАЛОВ И ПОМЕХ…….…. 1.1 Информация и сигналы…………………….…..………………........... 1.2 Цифровые сигналы..…………………………...………………............ 1.3 Дискретные сигналы..……………………...………………...……….. 1.4 Непрерывные сигналы..…………………...……………………..….... 1.5 Аддитивные и мультипликативные помехи..…..............................… 1.6 Методы аналитического и геометрического представления сигналов и помех..………………..…………………... ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ……………..…………………….. 2.1 Модель системы передачи информации..……...……………………. 2.2 Элементы преобразователей..……………..…………………………. 2.3 Преобразование неэлектрических сигналов в электрические..……. 2.4 Квантование по времени непрерывного сигнала...…………………. 2.5 Модуляция импульсной несущей дискретным сигналом..…....…… 2.6 Аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразования..……….…. 2.7 Линейная цифровая фильтрация и генерирование последовательностей символов.………………...………………….. 2.8 Модуляция гармонической несущей цифровым сигналом..……….. 2.9 Корреляционный прием и согласованная фильтрация..……………. 2.10 Модуляция гармонической несущей непрерывным сигналом..….. 2.11 Каналы передачи сигналов...…………………………………….….. 2.12 Последовательный и параллельный способы передачи..…………. 2.13 Статистический синтез цифровой системы передачи информации ……………………………………………… КОДИРОВАНИЕ КАНАЛА……………………………………………. 3.1 Корректирующие коды …………………………………...……..…… 3.2 Линейные блочные коды ………………………..………………….... 3.3 Коды Xэмминга …………………………………..…………………... 3.4 Циклические коды …………………………………............................. 3.5 Декодирование в СПИ с каналом переспроса …………….……...… 3.6 Свёрточные коды …………………………..………………………… 3.7 Перемежение символов ……………………………………………… 3.8 Комбинирование кодов ……………………………….………….…... КОДИРОВАНИЕ ИСТОЧНИКА……….……………………………... 4.1 Собственная информация и избыточность (цифровые сигналы) …. 4.2 Кодирование источника ……………………….………………...…… 4.3 Взаимная информация ……………………………………….….….... 4.4 Пропускная способность канала и теоремы о кодировании в 7 7 9 12 14 15 18 24 24 30 31 32 36 37 40 44 51 52 54 57 59 64 64 67 74 76 84 86 89 91 94 94 98 104
5 6 7 цифровом канале с помехами …................................ 4.5 Пропускная способность непрерывного канала с шумом …..……... ДЕМОДУЛЯЦИЯ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ..................................... 5.1 Роль априорной информации…………………………………….…... 5.2 Когерентные системы ……………………………….............……….. 5.3 Некогерентные системы..………………………………………….…. 5.4 Частично-когерентные системы………….……………………….…. 5.5 Прием сигнала в условиях многолучевости…………………….…... 5.6 Регенерация цифрового сигнала в ретрансляторах…………….…… 5.7 Особенности СПИ, в которых применяется помехоустойчивое кодирование ……………………...…………...… МНОГОКАНАЛЬНАЯ ПЕРЕДАЧА И МНОГОСТАНЦИОННЫЙ ДОСТУП…………………….………….. 6.1 Методы многостанционного доступа………………………………... 6.2 Многостанционный доступ с частотным разделением каналов.…... 6.3 Многостанционный доступ с временным разделением каналов … 6.4 Многостанционный доступ с кодовым разделением каналов…...… 6.5 Синхронизация в СПИ с многостанционным доступом....……….... 6.6 Расширение спектра сигнала…………………………………………. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ……….... 7.1 Определения, классификация, структуры сетей……………………. 7.2 Коммутация каналов и коммутация пакетов.……………………….. 7.3 Центры коммутации…………..…..………………………………..…. 7.4 Дейтаграммный метод передачи и передача с предварительным установлением соединения…………………..… 7.5 Элементы теории телетрафика…………………………….…...….…. 106 110 114 114 116 122 124 127 131 133 139 139 142 145 148 150 155 160 160 161 165 170 174 ЗАКЛЮЧЕНИЕ…..……………………………………………………...…. ЛИТЕРАТУРА………………………………..….......................................... ПРИЛОЖЕНИЯ……………………..…………………............................... 181 182 184 ВВЕДЕНИЕ………………..….………………………………….………….. 5 1 2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СИГНАЛОВ И ПОМЕХ…….…. 1.1 Информация и сигналы…………………….…..………………........... 1.2 Цифровые сигналы..…………………………...………………............ 1.3 Дискретные сигналы..……………………...………………...……….. 1.4 Непрерывные сигналы..…………………...……………………..….... 1.5 Аддитивные и мультипликативные помехи..…..............................… 1.6 Методы аналитического и геометрического редставления сигналов и помех..………………..…………………... ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ……………..…………………….. 2.1 Модель системы передачи информации..……...……………………. 2.2 Элементы преобразователей..……………..…………………………. 2.3 Преобразование неэлектрических сигналов в электрические..……. 7 7 9 12 14 15 18 24 24 30 31
3 4 5 6 2.4 Квантование по времени непрерывного сигнала...…………………. 2.5 Модуляция импульсной несущей дискретным сигналом..…....…… 2.6 Аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразования..……….…. 2.7 Линейная цифровая фильтрация и генерирование последовательностей символов.………………...………………….. 2.8 Модуляция гармонической несущей цифровым сигналом..……….. 2.9 Корреляционный прием и согласованная фильтрация..……………. 2.10 Модуляция гармонической несущей непрерывным сигналом..….. 2.11 Каналы передачи сигналов...…………………………………….….. 2.12 Последовательный и параллельный способы передачи..…………. 2.13 Статистический синтез цифровой системы передачи информации ……………………………………………… КОДИРОВАНИЕ КАНАЛА……………………………………………. 3.1 Корректирующие коды …………………………………...……..…… 3.2 Линейные блочные коды ………………………..………………….... 3.3 Коды Xэмминга …………………………………..…………………... 3.4 Циклические коды …………………………………............................. 3.5 Декодирование в СПИ с каналом переспроса …………….……...… 3.6 Свёрточные коды …………………………..………………………… 3.7 Перемежение символов ……………………………………………… 3.8 Комбинирование кодов ……………………………….………….…... КОДИРОВАНИЕ ИСТОЧНИКА……….……………………………... 4.1 Собственная информация и избыточность (цифровые сигналы) …. 4.2 Кодирование источника ……………………….………………...…… 4.3 Взаимная информация ……………………………………….….….... 4.4 Пропускная способность канала и теоремы о кодировании в цифровом канале с помехами …................................ 4.5 Пропускная способность непрерывного канала с шумом …..……... ДЕМОДУЛЯЦИЯ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ..................................... 5.1 Роль априорной информации…………………………………….…... 5.2 Когерентные системы ……………………………….............……….. 5.3 Некогерентные системы..………………………………………….…. 5.4 Частично-когерентные системы………….……………………….…. 5.5 Прием сигнала в условиях многолучевости…………………….…... 5.6 Регенерация цифрового сигнала в ретрансляторах…………….…… 5.7 Особенности СПИ, в которых применяется помехоустойчивое кодирование ……………………...…………...… МНОГОКАНАЛЬНАЯ ПЕРЕДАЧА И МНОГОСТАНЦИОННЫЙ ДОСТУП…………………….………….. 6.1 Методы многостанционного доступа………………………………... 6.2 Многостанционный доступ с частотным разделением каналов.…... 6.3 Многостанционный доступ с временным разделением каналов … 32 36 37 40 44 51 52 54 57 59 64 64 67 74 76 84 86 89 91 94 94 98 104 106 110 114 114 116 122 124 127 131 133 139 139 142 145
7 6.4 Многостанционный доступ с кодовым разделением каналов…...… 6.5 Синхронизация в СПИ с многостанционным доступом....……….... 6.6 Расширение спектра сигнала…………………………………………. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ……….... 7.1 Определения, классификация, структуры сетей……………………. 7.2 Коммутация каналов и коммутация пакетов.……………………….. 7.3 Центры коммутации…………..…..………………………………..…. 7.4 Дейтаграммный метод передачи и передача с предварительным установлением соединения…………………..… 7.5 Элементы теории телетрафика…………………………….…...….…. 148 150 155 160 160 161 165 170 174 ЗАКЛЮЧЕНИЕ…..……………………………………………………...…. ЛИТЕРАТУРА………………………………..….......................................... ПРИЛОЖЕНИЯ……………………..…………………............................... 181 182 184
ВВЕДЕНИЕ Считается, и не без оснований, что XXI век – это век информатизации. Поэтому знание фундаментальных закономерностей и методов передачи, преобразования и хранения информации для современного человека необходимо не менее чем знание основных законов физики, химии и других естественных наук. В подтверждение достаточно лишь отметить, что вся электронная аппаратура создается для передачи и обработки сигналов, несущих информацию. Исключения настолько редки, что придется хорошо подумать, чтобы привести хотя бы 2-3 соответствующих примера. Системы передачи информации (СПИ) являются одной из самых дина мичных отраслей мировой экономики. В указанных системах, особенно цифровых, воплощены практически все новейшие достижения науки и технологии, применяемые и в других радиотехнических системах. Нет ничего удивительного, что книги, содержащие более или менее связное описание лишь основных методов, имеют весьма солидный объем [1–3 и др.]. Данное учебное пособие предназначено для первого ознакомления с курсом «Радиотехнические системы передачи информации». Главная цель, которая преследовалась при выборе способа подачи ма териала – это максимальная доступность, иногда даже в ущерб строгости и полноте освещения отдельных вопросов. Если у читателя сложится цельное представление о предмете, о назначении и взаимосвязи применяемых методов, это будет хорошей базой для более детального изучения избранных тем по другой учебной и научной литературе. Чтобы материал, представленный в книге, не воспринимался как про стой набор фактов, необходимо подчеркнуть следующее. Во-первых, начальный этап любого исследования, зачастую требую щий наибольшей квалификации, – это систематизация и количественное описание того, что известно об объекте исследования. Для СПИ это означает разработку математических моделей сигналов и помех. Поэтому нет смысла приступать к изучению курса, не вспомнив хотя бы основные понятия теории вероятностей и теории электрических цепей и сигналов. Во-вторых, прием сигналов всегда требует вынесения серии решений в условиях частичной неопределенности. Поэтому нужно осознать, что не каждое из этих принятых решений оказывается правильным, поэтому при выборе методов передачи и приема стремятся к тому, чтобы доля удачных решений была максимальной. В-третьих, улучшение одних характеристик СПИ неизбежно сопро вождается ухудшением других, поэтому никогда нельзя рассматривать лишь одну сторону медали. Таким образом, проектирование СПИ и ее элементов сводится к количественному обоснованию цепи компромиссных вариантов. В теории СПИ очень широко используются различные математические
методы. Хотя следует признать, что количество основных идей не так уж велико. Поэтому за всеми математическими выражениями не мешало бы прежде всего разглядеть соответствующую идею. Недаром же большинство лучших современных методов обработки сигналов первоначально было предложено практиками на основе инженерной интуиции, и лишь потом математики строго обосновали их оптимальность. Нет сомнения, что знание основ теории и техники систем передачи ин формации существенно облегчит освоение последующих специальных курсов. Формы разные, но суть одна – передача информации!
1 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СИГНАЛОВ И ПОМЕХ 1.1 Информация и сигналы Невозможно дать строгое и полное описание любого из природных объектов или явлений. Поэтому любое грамотное исследование всегда начинается с построения его математической модели. Это – упрощенное количественное описание объекта или явления, пригодное для решения конкретной задачи. Ясно, что различным задачам могут удовлетворять совершенно разные модели одного и того же явления. В связи с этим сомнительно, что кто-то может дать строгое и удовле творяющее всех определение понятия “информация”. Принято считать, что информация – это сведения, знания, новости, идеи и т.п. независимо от формы их представления. Считают также, что информация – не материя, т.е. наличие её невоз можно обнаружить с помощью органов чувств или приборов. Ещё полагают, что информация – не энергия, поскольку она, в отличие от энергии, не может проявлять себя, превратившись в работу. Чтобы не создалось впечатление, что весь курс будет посвящен изуче нию способов передачи чего-либо бестелесного, дадим ещё одно определение. Сигнал – это материальный переносчик информации, и информация, в нем содержащаяся, трансформируется в изменение некоторых свойств этого материального объекта. Поэтому вполне естественно, что изучение закономерностей передачи информации мы, из соображений наглядности, зачастую будем заменять изучением свойств сигналов в процессе их передачи от источника к получателю. Итак, ясно, что передача информации невозможна без передачи сигна лов. Обратное утверждение справедливо далеко не всегда. Если сведения, содержащиеся в сигнале, уже достоверно известны получателю, такой сигнал не несёт информации. С другой стороны, для менее информированного получателя тот же сигнал может содержать информацию. Следовательно, информация – адресное понятие. Всегда можно указать два конечных объекта в цепи преобразований сигнала. Это – источник информации и получатель. Источник информации – это объект, текущее состояние которого X интересует получателя. Передаваемое сообщение X, трансформируясь в процессе передачи из пункта, где расположен источник, в пункт, где расположен получатель, превращается в итоге в принимаемый сигнал Y. Получатель, наблюдая конкретную реализацию y, пытается определить, каково конкретное значение сообщения x. Отсюда видно, что у получателя всегда должна быть хотя бы некоторая неопределенность относительно текущего состояния источника X. Если такая неопределенность отсутствует (источник гарантированно должен быть в
единственном состоянии xо, и получателю это уже известно), тратить ресурсы на прием сигнала y нет смысла (следовательно, и изучать в этой ситуации нечего). Удобный математический аппарат для описания объектов, ожидаемое состояние которых является неопределенным, дает теория вероятностей. Поэтому при рассмотрении СПИ все сигналы в цепи, связывающей источник X с получателем Y, рассматривают как взаимозависимые случайные объекты. Напомним важнейшие понятия теории вероятностей. Опыт — это совокупность действий, выполняемых по заранее оговоренным либо общепринятым правилам, например, подбрасывание монеты; извлечение карты из колоды; наблюдение погоды в конкретный день и час; измерение напряжения в конкретной точке устройства и т.д. Событие А называется случайным событием, если при проведении опыта оно может произойти, а может не произойти, причем исход заранее неизвестен. Примеры: выпадение герба при подбрасывании монеты; извлечение из колоды бубновой десятки; снегопад в полдень 20 января 2010 года; величина напряжения меньше 2 В. Вероятность ( ) p A события А — это число, характеризующее степень возможности появления этого события. Событие называется неслучайным (детерминированным), если ( ) 0 p A (это невозможное событие) либо ( ) 1 p A (это достоверное событие). Для случайного события 0 ( ) 1 p A . Для некоторых событий вероятность их появления можно точно ука зать сразу на основе теоретических предпосылок. Например, вероятность выпадения герба равна 0,5. Для многих других событий остается лишь экспериментальный способ оценки вероятности, т.е. ( ) / J p A m n , где n — общее ко личество проведенных опытов; m — количество опытов, в которых появилось событие А. Очевидно, что точность оценки возрастает при увеличении количества опытов n. Как правило, бывают известны последствия, которые повлечет за собой появление (и непоявление) события А, поэтому естественно желание заранее, до проведения опыта принять решение относительно того, как наилучшим образом подготовиться к преодолению этих последствий. Проблема в том, что способы подготовки к обоим исходам могут быть диаметрально противоположными, исключающими друг друга. Например, если ( ) 0,98 p A , то мы, скорее всего, примем решение готовиться к тому, что событие А появится. Конечно, мы можем ошибиться в своих прогнозах. Тем не менее, пра вильность избранной стратегии подтверждает следующее соображение. Если будем следовать ей при проведении большого количества опытов, то начинает работать закон больших чисел и проявляются некоторые закономерности. В нашем примере при проведении n = 10000 опытов событие А появится примерно m = 9800 раз и не появится всего в 200 опытах.
Доступ онлайн
180 ₽
В корзину