РефератыРадиоэлектроникаПрПропускная способность канала

Пропускная способность канала

Казанский
Государственный технический университет им. А.Н. Туполева


Кафедра Радиоуправления


Пояснительная записка
к курсовой


работе по курсу


ТЕОРИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ


на тему


                                        


Пропускная
способность канала.


Выполнил студент гр.5313


Алмазов А.И.


Руководитель: _____________


Оценка _____________


Комиссия      ________ (
_______ )


             ________ (
_________ )


             ________ (
_________ )



Казань 2002


Оглавление.


1.   Задание…………………………………………………………………..3стр.


2.   Введение…………………………………………...……………………4стр.


3.   Теоретическая
часть…………...……………………………………….5стр.


4.   Практическая
часть………………………………..…………………..11стр.


5.   Заключение………………………………………………..…………...14стр.


6.   Литература…………………………………………….………………
15стр.


                              
                   Задание.
       В канале  действует аддетивный белый гаусовский шум. Отношение
сигнал/шум (Pc/Pш) меняется с 25 до 15 дБ, с шагом 1дБ. F=1,5
кГц; Vк=8*103 сим/с.


Рассчитать:


1)   Изменение
пропускной способности канала.


2)   Изменение
избыточности κ двоичного кода, необходимой для сведения ошибки
декодирования к сколь угодно малой величине.


Построить графики
зависимостей с=f(Pc/Pш) и κ= f(Pc/Pш).


Введение.


Поставленная задача интересна тем, что мы сможем проследить изменение пропускной
способности канала с изменением отношения сигнал/шум . Можно определить
пропускную способность  С канала в расчете на один символ


Ссимвол=maxI(A,B),бит/символ
или в расчете на единицу времени (например, на секунду):


С=maxI’(A,B)=u Ссимвол , биит/с.


В данном случае
мы будем рассчитывать относительно времени. Для этого мы воспользуемся формулой
определяющей пропускную способность канала в расчете на единицу времени.


С=Fklog2(1+Pc/Pш),


А для того чтобы
определить избыточность передаваемой информации воспользуемся  теоремой
Шеннона. При условии если теорема Шеннона будет выполняться, то  избыточность
κ будет равняться 0, значит информация передаётся без потерь. Если нет, то
κ будет больше нуля (κ>0). Т.е. чем меньше величина κ, тем
меньше будет вероятность ошибки декодирования.


Теоретическая
часть.


Пропускная
способность канала связи.


В любой системе
связи через канал передаётся информация. Её скорость определяется по формуле:


I’(А,В)=H’(А)-H’(А|В)=H’(А)-H’(В|А).                                                       (1)


Величина H(A|B) - это потери информации при передаче ее по каналу. Ее
также называют ненадежностью канала. H(B|A) - энтропия шума;
показывает, сколько бит шумовой информации примешивается к сигналу. Передачу
сигнала по каналу иллюстрирует рис. 1.



Рис. 1. Передача информации по каналу
с помехами


Здесь I’(A,B)=v*I(A,B) - скорость передачи
информации по каналу.


Как видно из формулы (1), эта скорость 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.


Рассмотрим дискретный канал, через который передаются в единицу времени u символов из алфавита объёмом m. При передачи каждого символа в среднем по каналу проходит
количество информации


I(A,B)=H(A)-H(A|B)=H(B)-H(B|A),                                                                
(2)


где А и В- случайные символы на входе и выходе канала. Из четырёх
фигурирующих здесь энтропий Н(А)- собственная информация передаваемого символа
определяется источником дискретного сигнала  и не зависит от свойств канала.
Остальные три энтропии в общем случае зависят как от источника сигнала, так и
от канала.


 Величина I(A,B) характеризует не только свойства канала, но и свойства
источника информации. Пусть на вход канала можно подавать сигналы от различных
источников информации с различными распределениями P(A). Для каждого источника I(A,B) примет свое значение.
Максимальное количество информации, взятое по всевозможным
Р(А), характеризует только канал и называется пропускной способностью
(ПС) канала в расчете на один символ:


бит/символ,


где максимизация производится по всем многомерным распределениям
вероятностей Р(А).


Также определяют пропускную способность С канала в расчете на единицу
времени:


бит/с,                                                                       (3)


где v - количество символов, переданное в секунду.


В качестве примера вычислим пропускную способность дискретного
симметричного канала без памяти (рис. 2) с вероятностью ошибочного перехода -
p.



Рис. 2. Модель двоичного
симметричного канала без памяти


Согласно свойству взаимной информации 2 можно записать: Ссим=max(H(B)-H(B|A)).
Распишем H(B|A). Исходя из условий задачи вероятность правильной
передачи символа по каналу - 1-p, а вероятность
ошибочной передачи одного символа p/(1-m), где m - число
различных символов, передающихся по каналу. Общее количество верных передач - m; общее количество ошибочных переходов - m*(m-1). Отсюда следует,
что:


.


Следовательно, Н(В/А) не зависит от распределения  вероятности в ансамбле
А,  а определяется только переходными вероятностями канала. Это свойство
сохраняется для всех моделей канала с аддитивным шумом.


Максимальное значение Н(В)=log m. Отсюда следует:


.                                                  (4)


Пропускная способность в двоичных единицах в расчете на единицу времени:


.                                                  
(5)


Для двоичного
симметричного канала (m=2) пропускная способность в
двоичных единицах в единицу времени


С=u[1+p*log(p)+(1-p)*log(1-p)]                                                                      
(6)


Зависимость  С/u от р согласно (6) показана на рис.3



рис.3 Зависимость  пропускной
способности двоичного симметричного канала без памяти от вероятности ошибочного
приёма символа.


При р=1/2
пропускная способность канала С=0, поскольку при такой вероятности ошибки
последовательность выходных символов можно получить совсем не передавая сигнала
по каналу, а выбирая их наугад, т.е. при р=1/2 последовательности на выходе и
входе канала независимы. Случай С=0 называют обрывом канала.


Пропускная способность непрерывного канала связи.


 


Вычисляется аналогично пропускной способности дискретного канала. Непрерывный
сигнал дискретизируется во времени с помощью отсчетов согласно теореме
Котельникова и информация, проходящая по каналу за время Т, равна сумме
количества информации, переданной за один отсчет. Поэтому общая ПС канала равна
сумме ПС на один такой отсчет:


,                    

                                     (7)


где U - переданный сигнал; Z -
сигнал на выходе канала с наложенными на него шумами; N
- шум; Z=U+N.


Пусть U и N - случайные величины с плотностью распределения вероятности
w, распределенной по нормальному (гауссовскому)
закону. Для таких сигнала и шума (см. вывод в [1, с. 114, 117-118]:


.


Отсюда следует:


.


ПС в расчете на секунду будет равна:


,                                                                           (8)


поскольку при
дискретизации сигнала по теореме Котельникова за одну секунду мы получим 2F отсчетов, где F -
верхняя частота спектра сигнала.


Подчеркнем, что формула (8) имеет такой вид только при условии, что
плотности распределения вероятностей w(U) и w(N) подчиняются нормальному закону.


Формула (8) имеет важное значение, т.к. указывает на зависимость ПС
канала от его технических характеристик - ширины полосы пропускания и отношения
мощности сигнала к мощности шума.


Чтобы выяснить как зависит пропускная способность от ширины полосы
пропускания выразим мощность шума в канале через его одностороннюю спектральную
мощность N0. Имеем Рш=N0F;
поэтому


С=F*log(1+ Pc/N0*F )=F*loge*ln(1+Pc/N0*F)                                                 (9)


При увеличении F пропускная способность С, бит/с,
сначала быстро возрастает, а затем асимптотически стремится к пределу:


C∞=Lim(Pc/N0)*loge                                                                   
                    (10)


 Результат (10) получается очень просто, если учесть, что при |e|<<1 ln(1+e)»e. Зависимость С и F
показана на рис.4.


F N0/Pc


рис.4 Зависимость нормированной
пропускной способности                  гауссовского канала от его полосы
пропускания. 


Теорема кодирования для канала
с помехами. 


 Это основная теорема кодирования К. Шеннона. Применительно к дискретному
источнику информации она формулируется так:


Теорема. Если производительность источника сообщений H’(A) меньше пропускной
способности канала С: H’(A)<С, то существует такой способ кодирования
(преобразования сообщения в сигнал на входе канала) и декодирования
(преобразования сигнала в сообщение на выходе), при котором вероятность
ошибочного декодирования и ненадежность канала H(A|A*) могут
быть сколь угодно малы. Если же H’(A)>С, то таких способов кодирования и
декодирования не существует.


Модель:














КАНАЛ




 

 Н(А)                        Н’(В)
Н’(А)<с


Если же Н’(А)>с,
то такого кода не существует.


Теорема указывает
на возможность создания помехоустойчивых кодов.


Н’(А)< Н’(В)


Н’(В)=VkH


Декодер выдаёт на
код каналов Vk  символов в секунду. Если в канале потерь нет, то Vk=с.


При Н<1 будет тратится больше одного бита на
символ, значит появляется избыточность, т.е. не все символы несут полезную
информацию.


Делаем вывод, что смысл теоремы Шеннона
заключается в том, что при H’(A)>С невозможна безошибочная передача сообщений
по данному каналу, если же H’(A)<С, то ошибки могут быть сведены к сколь
угодно малой величине. Таким образом, величина С - это предельное
значение скорости безошибочной передачи информации по каналу


Практическая часть.


Пропускная способность гауссовского канала определяется [1, стр.118]:


.


Отношение сигнал/шум падает по условию задания с 25 до 15 дБ. Поэтому С
также будет уменьшаться. Необходимо уменьшать С/Ш с 25 до 15 дБ с шагом 1 дБ и
вычислить по формуле 11 значений С. При этом надо учесть, что в формуле
отношение С/Ш - Pc/Pш - дано в разах, поэтому данные в дБ необходимо
пересчитать в разы: ; отсюда
.


С помощью программы MathCAD получили результаты
подсчётов:


С1=1,246*104  бит/с


С2=1,197*104 бит/с


С3=1,147*104 бит/с


С4=1,098*104 бит/с


С5=1,048*104 бит/с


С6=9,987*103 бит/с


С7=9,495*103 бит/с


С8=9,003*103 бит/с


С9=8,514*103 бит/с


С10=8,026*103 бит/с


С11=7,542*103 бит/с


Производительность кодера H’(B)=vк*H(B) должна быть меньше
пропускной способности канала С, иначе неизбежны потери информации в канале.
Максимальное значение энтропии двоичного кодера Hmax=H(B)=log2=1 бит. Если С
уменьшается, то для избежания потерь информации можно уменьшать H(B) так, чтобы H’(B) оставалась все время
меньше С. Если же H(B)<1,
это означает, что кодовые символы не равновероятны и зависимы друг от друга,
т.е. используется избыточный (помехоустойчивый) код. Избыточность этого кода
вычисляется по формуле:


               
.                                                              
(11)


Итак, пропускная способность канала С определяет предельное значение
производительности кодера H’(B): H’(B)<C. Отсюда находим
предельное значение энтропии кодера:



По условию Vk=8*103 сим/с


В численном виде это выглядит так:


         С/Vk1=1,558 бит/сим


С/Vk 2=1,496 бит/сим


С/Vk 3=1,434 бит/сим


С/Vk 4=1,372 бит/сим


С/Vk 5=1,31 бит/сим


С/Vk 6=1,248 бит/сим


С/Vk 7=1,187 бит/сим


С/Vk 8=1,125 бит/сим


С/Vk 9=1,064 бит/сим


С/Vk 10=1,003 бит/сим


В этих случаях энтропию Н(В) можно брать любой, вплоть до максимальной (Hmax=1
бит/сим).


С/Vk 11=0,943 бит/сим


Т.к. в 11-ом
случае условие H’(B)<C не выполняется, то теорема Шеннона так же не выполняется. Для
того чтобы избежать потерь информации, вводим избыточные символы.


Следующим шагом
будет вычисление избыточности κ кода, по формуле (11):


 κ=0,057


Чтобы было
более наглядно, построим графики зависимостей с=f(Pc/Pш) и κ= f(Pc/Pш).


График
зависимости с=f(Pc/Pш) :


 
График зависимости κ= f(Pc/Pш).



Заключение.


В результате
проведённой работы, мы можем сделать вывод, что с уменьшением отношения
сигнал/шум пропускная способность канала также уменьшается, что приводит к потери
информации. Для того чтобы избежать возникновение ошибок, мы вводили избыточные
символы. Избыточность этого кода κ=0,057.


Сделаем вывод, что в результате проведенного расчета поставленная задача
была полностью решена.


Литература.


1.           
Зюко А.Г., Кловский Д.Д. и др. Теория передачи сигналов. -М.: Радио и
Связь, 1986.


2.           
Кловский Д.Д., Шилкин В.А. Теория электрической связи. -М.: Радио и
связь, 1990.


3.           
Методическое пособие по курсовой работе ТЭС.

Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: Пропускная способность канала

Слов:1606
Символов:15841
Размер:30.94 Кб.