Канал связи. Общие понятия

Каналом связи или просто каналом называют совокупность технических средств и физических сред, обеспечивающих передачу сообщений из одной точки пространства в другую. В зависимости от того, для передачи какого вида сообщений (дискретных или непрерывных) используется канал, он называется дискретным или непрерывным соответственно.

Анализ процессов передачи сообщений по каналам во многом определяется влиянием шумов или помех. Если вредным воздействием помех в канале можно пренебречь, то при его анализе используют модель канала в виде идеализированного канала, называемого каналом без помех. Такому каналу присуща тождественность сообщений на входе и выходе канала.

Если же влияние помех значительно и пренебрежение несоответствия входного и выходного сообщения недопустимо, то используется более сложная модель канала – канал с помехами.

Теоретически, при передаче сообщений по каналом без помех никаких проблема связи, в этом идеальном случае, не возникает. Однако на практике, техническая реализация таких каналов трудноосуществима, да и сам процесс передачи сообщений по таким каналам проблематичен. Действительно, в этом случае любой непрерывный сигнал (импульс) конечной длительности, значение информационного параметра которого на выходе канала может быть измерено с неограниченной точностью, обладает бесконечным алфавитом, а, следовательно, с его помощью может быть передано бесконечно большое количество информации, что противоречит здравому смыслу.

Поэтому рассмотрение процесса передачи сообщений по каналу без помех нецелесообразно, и в практической деятельности имеет смысл рассматривать только процессы передачи сообщений по каналам с шумами.

Оценка качества канала, как правило, осуществляется по трём основным показателям: достоверности, средней скорости передачи и сложности технической реализации. Хотя с практической точки зрения сложность технической реализации может иметь решающее значение, при определении предельных (потенциальных) информационных возможностей системы целесообразно оценивать качество канала достоверностью и средней скоростью передачи. Достоверность дискретного канала обычно оценивается вероятностью ошибочного приема одного символа, а о достоверности непрерывного канала судят по зна­чению среднеквадратической ошибки при передаче сообщения.

,

где – сообщение на входе канала;

– сообщение на выходе канала;

Т – длительность сигнала.

Средняя скорость передачи (скорость передачи) характеризует среднее количество информации, передаваемое по каналу в единицу времени. Этот показатель тоже зависит от наличия шумов и помех. В любом реальном канале связи всегда имеют место помехи и искажения как детерминированного, так и случайного характера, что ведет к потере информации в канале. Действительно, если на передающем конце канала количество информации, приходящейся на один символ сообщения равно I1, то вследствие воздействия шума после прохождения канала на один символ принятого сообщения будет приходиться количество информации равное I2, причем

I2 = I1 – ΔI ,  

где ΔIпредставляет собой количественную меру потери информации при передаче одного символа. Так как среднее количество информации, переносимое одним символом по каналу с шумом, уменьшается, то, очевидно, что снижается и пропускная способность канала с шумом по сравнению с каналом без шумов.

Достоверность или помехозащищенность канала – одна из важнейших характеристик канала. Повысить достоверность или помехозащищенность канала и тем самым застраховаться от ошибок при передаче сообщений по каналу связи с шумами можно путем многократных повторных передач, очевидно, чем большее число раз будет повторена передача одного и того же сообщения, тем больше достоверность принятого сообщения. Действительно, помехоустойчивость канала при многократных повторных передачах (Пn ) в соответствии с формулой (2.9) может быть найдена из выражения:

,  

где – число повторений;

– вероятность появления ошибки;

П – помехоустойчивость канала без повторения передач.

Очевидно, что многократное повторение сообщений ведет к росту помехозащищенности, но в тоже время значительно возрастает избыточность. Для полной достоверности передачи сообщений необходимо бесконечно увеличивать число повторных передач, при этом бесконечно возрастает избыточность и, следовательно, пропускная способность канала будет стремиться к нулю, что неприемлемо с практической точки зрения.

Другим путем обеспечения достоверной передачи сообщений по каналу с шумами является рациональное помехоустойчивое кодирование, теоретическим обоснованием которого служит теорема Шеннона (§ 1.9). Эта теорема, применительно к каналам передачи информации, может быть сформулирована следующим образом.

Пусть дискретный канал обладает пропускной способностью С, а дискретный источник сообщения имеет производительность Н (бит/сек), т. е. источник сообщения создает Н единиц информации в секунду. Если H C , то существует такая система кодирования, что сообщения могут быть переданы по каналу с произвольно малой вероятностью ошибок (со сколь угодно малой ненадежностью). Однако, если , то наименьшая ненадежность, которая может быть достигнута применением того или иного способа кодирования ограничена пределом разности .

Из теоремы следует, что для того, чтобы осуществить передачу с наперед заданной малой вероятностью ошибок, нужно уменьшить скорость передачи сообщений так, чтобы она стала равной или меньшей пропускной способности канала.