9.7. Обсуждение результатов

Подводя итоги краткому рассмотрению методов уплотнения каналов связи, следует прежде всего отметить, что они весьма многообразны по способам реализации и по таким основным информационным параметрам, как помехоустойчивость и занимаемая полоса частот. К тому же многообразны и способы помехоустойчивого кодирования в уплотненных каналах.

Перед разработчиком системы стоит нелегкая задача выбора наиболее приемлемого решения, тем более что помимо информационных параметров приходится считаться и с рядом других технических, экономических и организационных факторов. Было бы неоправданно смелым пытаться давать рекомендации по выбору системы уплотнения, пригодные для всех случаев. Однако некоторые общие соображения здесь можно высказать.

Рис. 9.15. а) Зависимость минимальной условной полосы частот сигнала от кратности уплотнения; б) зависимость необходимой мощности сигнала при некогерентном приеме в отсутствие замирании от кратности уплотнения при ; 1 — разделимая ортогональная система, индивидуальные сигналы ОФТ; 2 — разделимая ортогональная система, индивидуальные сигналы ЧТ; 3 — МОФТ; 4 — ортогональная система МЧТ; 5 — смешанная система — частотное уплотнение комбинационными сигналами ДОФТ (типа «Кинеплекс»).

На рис. 9.15,а изображены графики зависимости полосы частот, занимаемой сигналом, от кратности уплотнения для основных рассмотренных систем. Для разделимых систем предполагалось, что в индивидуальных сигналах используется относительная фазовая манипуляция. На рис. 9.15,б для тех же систем показана зависимость мощности сигнала, необходимой для получения заданной верности (характеризуемой средней вероятностью ошибки в сообщении ) от кратности уплотнения. Из этих рисунков особенно ярко видно, что системы, сохраняющие высокую помехоустойчивость, при увеличении кратности уплотнения требуют значительного расширения полосы частот, занимаемой сигналом, и, наоборот, для систем, сохраняющих полосу частот, требуемая мощность быстро возрастает с увеличением кратности.

Задача уплотнения канала, как было отмечено в начале главы, возникает в тех случаях, когда пропускная способность канала существенно превышает производительность каждого из источников сообщений, подлежащих передаче. Пусть, в простейшем случае, каждый источник выдает сообщения, закодированные последовательностью равновероятных и независимых двоичных символов, с технической скоростью  символов в секунду, а канал имеет постоянные параметры, полоса пропускания его ограничена величиной  (или он может пропускать сигналы с условной полосой частот, не превышающей ), в нем существует белый нормальный шум со спектральной плотностью , а мощность сигнала на выходе канала не может превысить . Этот канал можно уплотнить  сообщениями, если выполняется неравенство

,                            (9.70)

где левая часть представляет суммарную производительность источников, а правая — пропускную способность канала. Это неравенство можно переписать так:

.                            (9.71)

Выбор метода уплотнения в первую очередь зависит от соотношения двух сомножителей в левой части (9.71).

Пусть, например, , т. е. высокая пропускная способность канала обусловливается главным образом широкой полосой пропускания, а имеющаяся мощность сигнала невелика. Это имеет место, например, при передаче телеграфных сообщений по тропосферным радиоканалам или по каналам с пассивной ретрансляцией на искусственных спутниках Земли либо при передаче телеметрических сообщений по маломощному радиоканалу, когда техническая скорость датчиков много меньше полосы пропускания и т. д.

очевидно, что в этом случае следует выбрать такую систему уплотнения, которая обеспечивает высокую верность при относительном малом отношении энергии сигнала к спектральной плотности помехи, хотя бы за счет широкой полосы занимаемых частот. В принципе такой системой является ортогональная МЧТ или какая-либо другая ортогональная комбинационная система. Следует, однако, учитывать, что при большой кратности уплотнения техническая реализация комбинационных систем оказывается сложной. Поэтому иногда в этих условиях используют разделимые либо смешанные системы уплотнения, в которых общий сигнал является суммой нескольких сигналов, каждый из которых несет несколько сообщений и получен комбинационным методом.

В другом крайнем случае , т.е. высокая пропускная способность обусловлена большим отношением сигнал/помеха, а полоса пропускания относительно мала. Этот случай характерен для многих кабельных каналов связи, особенно при задаче «вторичного уплотнения» для некоторых радиорелейных каналов и т. д. Из рассмотрения рис. 9.15 видно, что в этом случае лучше всего выбрать систему МОФТ. При очень большой кратности уплотнения, когда комбинационная система оказывается технически невыполнимой, используются смешанные системы, например, типа «Кинеплекс».

В промежуточных случаях, когда  того же порядка, что и , наиболее приемлемы, по-видимому, ортогональные разделимые системы, для которых и полоса частот, и требуемая мощность сигнала растут линейно с увеличением кратности уплотнения.

Более сложные задачи возникают, когда в канале помимо флюктуационной помехи присутствуют импульсные и сосредоточенные помехи, а также когда имеют место быстрые замирания, многолучевое распространение и т. д. Только с учетом всех характеристик канала и вызываемых ими зависимостей между ошибками при приеме отдельных символов можно выбрать рациональную систему уплотнения. Так, например, в канале с многолучевым распространением не следует применять временное уплотнение, поскольку в этом случае сокращение длительности элемента сигнала увеличивает межсимвольные помехи и существенно понижает верность приема. Если желательно применить в таком канале разделимую систему уплотнения, то следует отдать предпочтение частотному, а не временному уплотнению, чтобы не сокращать длительность элемента. Если же в канале преобладают одиночные импульсные помехи, то целесообразно применить временное уплотнение, а не частотное или комбинационное, так как при временном уплотнении каждый достаточно короткий мешающий импульс может исказить лишь один символ в одном сообщении, тогда как при частотном или комбинационном уплотнении он может вызвать ошибки во всех передаваемых сообщениях.

Следует подчеркнуть, что, вообще говоря, при любом виде уплотнения, разделимом или комбинационном, можно применять произвольные формы сигналов. Поэтому в таких каналах, где форма сигнала влияет на помехоустойчивость (см. гл. 7), ее следует согласовывать с характеристиками канала.

Величину  в (9.71) часто называют найквистовской пропускной способностью канала. Смысл ее заключается в следующем. Согласно теореме Котельникова сигнал, прошедший через канал с полосой пропускания, строго ограниченной величиной , полностью характеризуется своими значениями, отсчитанными через интервалы времени, равные . Если передавать в таком канале только двоичные сигналы, то, очевидно, величина  характеризует максимальную возможную скорость передачи. Легко видеть, что эта скорость не изменится, если применить частотное уплотнение, разделив полосу  на  равных частей, так как в каждой части наиквнетовская пропускная способность будет равна . Превысить найквистовскую скорость можно, отказавшись от двоичного кодирования, в частности применив комбинационную систему уплотнения.

До недавнего времени была широко распространена точка зрения, что уплотнению подлежат только каналы, обладающие избыточной найквистовской пропускной способностью. Поэтому избыток отношения сигнал/шум обычно оставался неиспользованным. Лишь в последние годы появились работающие системы связи, реализующие скорость выше найквистовской.

В заключение заметим, что с точки зрения технического осуществления наиболее простой является система временного уплотнения, так как для нее первая решающая схема такая же, как и в обычной системе без уплотнения, а формирование группового сигнала и разделение принятых сообщений осуществляется методами дискретной техники. Наиболее сложными в этом отношении являются комбинационные системы при высокой кратности.