Глава 9. Уплотнение каналов связи

9.1. Согласование пропускной способности канала и производительности источника

В этой главе будут рассмотрены некоторые задачи, возникающие при согласовании источников сообщений с каналом. Как было показано в гл. 1, передача сообщений с высокой верностью от источника с фиксированной скоростью возможна в случае, когда пропускная способность канала  превышает производительность источника . Чем больше отношение , тем проще осуществляется кодирование при заданной верности. Если производительность источника задана, то, выбирая канал с пропускной способностью , можно упростить передающее и приемное устройства, но стоимость канала будет очень высокой, поскольку она, как правило, монотонно возрастает с увеличением пропускной способности и дальности связи. Если же, наоборот, выбрать дешевый канал с пропускной способностью, лишь немного превышающей производительность источника, то при этом удорожаются устройства кодирования и декодирования. Очевидно, что, вообще говоря, должно существовать такое отношение пропускной способности канала к производительности источника, при котором суммарная стоимость системы связи минимальна. Это оптимальное отношение зависит от уровня развития техники и, по-видимому, имеет тенденцию уменьшаться [1].

Если производительность источника значительно меньше пропускной способности канала, то требования экономики заставляют искать пути улучшения использования канала. Для этого канал уплотняют, т. е. используют для одновременной передачи сообщений нескольких источников, предназначенных, вообще говоря, различным получателям. Число источников называют кратностью уплотнения.

Возможен и обратный случай, когда производительность источника больше пропускной способности канала. В этой ситуации можно использовать два или большее число каналов для передачи одного сообщения, т. е. применить объединение каналов. Если эти каналы независимы, то их пропускные способности при этом складываются.

В самом общем случае  каналов могут использоваться для передачи сообщений от m различных источников. Таким образом, одновременно может иметь место объединение и уплотнение каналов.

Умелое использование методов уплотнения и объединения каналов при проектировании систем связи позволяет наиболее эффективно использовать пропускную способность каналов, т. е. обеспечить высокую скорость передачи информации при заданной допустимой вероятности ошибок. К сожалению, во многих существующих системах связи пропускная способность канала сильно недоиспользуется. Так, например, в кабельных линиях связи энергия элемента сигнала превышает спектральную плотность аддитивных флюктуационных помех нередко во много раз больше, чем это необходимо для достижения требуемой верности. В таких условиях флюктуационная помеха практически вовсе не создает ошибок. Последние обязаны своим происхождением импульсным помехам, перерывам при коммутации каналов и другим причинам, в принципе поддающимся полному устранению. В связи с этим среди некоторой группы инженеров бытует мнение, что для проводной связи флюктуационные помехи не представляют интереса, а общая теория связи, уделяющая основное внимание гауссовским помехам, для техники электропроводной связи не нужна. Такое пренебрежение теорией является результатом весьма неэффективного использования пропускной способности каналов. Если применить рациональные методы уплотнения, то можно увеличить скорость передачи информации по таким каналам во много раз, и тогда ограничивающим фактором, препятствующим дальнейшему повышению скорости при заданной верности (или наоборот), окажется именно флюктуационная помеха.

К сожалению, теория уплотнения каналов связи пока еще весьма мало разработана и наши знания в этой области недалеко ушли от того, что было заложено еще в 1935 г. в работе Д. В. Агеева [2] (см. также [3]). В еще меньшей мере разработана теория объединения каналов. В настоящей главе автор не пытается создать стройную и законченную теорию уплотнения, а ставит перед собой более скромную задачу — объединить некоторые идеи, высказывавшиеся в отдельных журнальных статьях либо нигде не публиковавшиеся, но «витающие в воздухе», и дать читателю представление хотя бы о стоящих перед теорией связи проблемах. Учитывая общую тему книги, мы будем говорить только о передаче дискретных сообщений.