Теория электрической связи


К. К. Васильев, В. А. Глушков, А. Г. Нестеренко













ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВЯЗИ


Учебное пособие























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.391
ББК 32.81
      В19



Рецензенты:
доктор технических наук, профессор К. В. Кумунжиев; кафедра радиоэлектроники Ульяновского высшего военного





инженерного училища связи





      Васильев, К. К.
В19        Теория электрической связи : учебное пособие / К. К. Васильев,
     В. А. Глушков, А. Г. Нестеренко. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 468 с. : ил., табл.
            ISBN 978-5-9729-0726-7

       Излагаются основные закономерности и методы анализа потенциальной помехоустойчивости и пропускной способности каналов связи. Рассматриваются параметры и характеристики сообщений, сигналов и помех, их математические модели, методы формирования и преобразования сигналов, вопросы теории передачи и кодирования сообщений. Приводятся алгоритмы цифровой обработки сигналов, основные модели каналов электросвязи, принципы многоканальной связи и распределения информации. Освещаются вопросы оценки эффективности систем связи и теоретико-информационные основы криптозащиты сообщений в телекоммуникационных системах.
       Для студентов, изучающих инфокоммуникационные технологии и системы связи. Может быть полезно специалистам в области связи.

                                                             УДК 621.391
                                                             ББК 32.81









ISBN 978-5-9729-0726-7

    © Васильев К. К., Глушков В. А., Нестеренко А. Г., 2021
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ПРЕДИСЛОВИЕ

     Пособие написано на основе опыта чтения авторами лекций по теории электрической связи. Базируясь на ранее опубликованных изданиях [9-11, 13-16], авторы обобщили и собрали воедино материалы, опубликованные в последние годы, дополнив их новыми информационными технологиями. Основными особенностями настоящего пособия является рассмотрение вопросов корреляционного анализа; эталонной модели взаимодействия открытых систем как единой идеологии проектирования систем связи; комплексного представления сигналов; некоторых методов модуляции, таких как квадратурная относительно-фазовая манипуляция и частотная модуляция с непрерывной фазой; методы сжатия дискретных сообщений; более детальное рассмотрение некоторых методов помехоустойчивого кодирования (коды БЧХ, Рида - Соломона, Рида -Маллера); уделено особое внимание методам приема сигналов в сложных условиях и теоретико-информационным основам криптозащиты сообщений в телекоммуникационных системах.
     Настоящее учебное пособие состоит из десяти глав, в которых последовательно рассматриваются основополагающие вопросы теории электрической связи. Остановимся более подробно на содержании глав.
     В первой главе пособия рассматриваются сообщения, сигналы и помехи, их математические модели, временное и спектральное представление сигналов и помех.
     Во второй главе представлены методы формирования и преобразования дискретных сигналов, временные и спектральные характеристики манипулированных сигналов.
     В третьей главе пособия анализируются оптимальные методы приема при различных видах передачи и способы реализации потенциальной помехоустойчивости.
     В четвертой главе пособия рассматриваются основные понятия теории информации и дискретных систем обработки информации.

3

      Пятая глава пособия посвящена анализу помехоустойчивых кодов, их классификации и сравнительным оценкам, на примере двоичных кодов, наиболее часто встречающихся в практике при проектировании и эксплуатации дискретных устройств.
      В шестой главе пособия обобщены вопросы импульсных и цифровых методов передачи непрерывных сигналов.
      В седьмой главе пособия анализируются методы передачи сигналов в условиях помех, решаются вопросы защиты каналов от замираний, межсимвольной интерференции и сосредоточенных помех, при передаче различных видов сообщений.
      В восьмой главе пособия описываются физические явления и процессы, лежащие в основе многоканальной связи, вопросы объединения и разделения каналов, а также принципы построения систем множественного доступа и протоколы их реализации.
      В девятой главе пособия рассмотрены вопросы оценки эффективности систем связи при заданной помехоустойчивости.
      В десятой главе изложены классические методы шифрования и современные криптологические методы, алгоритмы, протоколы и системы как методы и средства защиты информации в компьютерных системах и системах связи.
      Работа по написанию пособия распределилась следующим образом:
      Главы 1 (кроме п. 1.7), 2, 3 (кроме пп. 3.1 - 3.4), 8, 9 написаны В. А. Глушковым, пп. 1.7, 3.1 - 3.4 - К. К. Васильевым, главы 4, 6, 7, 10, пп. 5.1, 5.2 - А. Г. Нестеренко. Глава 5 (кроме пп. 5.1, 5.2) повторяет материал учебного пособия: Васильев К. К., Новосельцев Л. Я., Смирнов В. Н. Основы теории помехоустойчивых кодов : учеб. пособие. - Ульяновск : УлГТУ, 2000.

4

        СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ                            
АКФ     автокорреляционная функция;                  
АМн     амплитудная манипуляция;                     
АИМ     амплитудно-импульсная модуляция;             
АЦП     аналого-цифровое преобразование;             
БГШ     белый гауссовский шум;                       
БПФ     быстрое преобразование Фурье;                
БЧХ     Боуза - Чоудхури - Хоквингема;               
ВКФ     взаимно-корреляционная функция;              
ВРК     временное разделение каналов;                
ДДИМ    двухсторонняя длительно-импульсная модуляция;
ДИМ     длительно-импульсная модуляция;              
ДК      дискретный канал;                            
ДМ      дельта-модуляция;                            
ДНК     дискретно-непрерывный канал;                 
ДПФ     дискретное преобразование Фурье;             
ДСКБП - дискретный симметричный канал без памяти;    
ИКМ     импульсно-кодовая модуляция;                 
КРК     кодовое разделение каналов;                  
КТЧ     канал тональной частоты;                     
МСД     многостанционный доступ;                     
МСИ     межсимвольная интерференция;                 
МЧС     многочастотный сигнал;                       
НВ      наиболее вероятное;                          
НК      непрерывный канал;                           
НОД     наибольший общий делитель;                   
НОК     наименьшее общее кратное;                    
ОДИМ    односторонняя длительно-импульсная модуляция;
ОСШ     отношение сигнал/шум;                        
ОФМн    относительная фазовая манипуляция;           
ПАКФ    периодическая автокорреляционная функция;    
ПВКФ    периодическая взаимно-корреляционная функция;
ППРЧ    псевдослучайное переключение рабочих частот; 

5

псп      псевдослучайная последовательность;            
PC       Рида - Соломона;                               
скк      сигнально-кодовые конструкции;                 
спм      спектральная плотность мощности;               
СФ       согласованный фильтр;                          
СЭС      система электрической связи;                   
ум       угловая модуляция;                             
ФИМ      фазоимпульсная модуляция;                      
ФМн      фазовая манипуляция;                           
ФМ-ПСС - фазовая манипуляция псевдослучайными сигналами;
ФМ-ШПС - манипуляции широкополосными сигналами;         
ЦАП      цифро-аналоговое преобразование;               
ЦСП      цифровые системы передачи;                     
ЧИМ      частотно-импульсная модуляция;                 
ЧМн      частотная манипуляция;                         
ЧРК      частотное разделение каналов;                  
ШИМ      широтно-импульсная модуляция.                  

6

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

A, B, C                   - случайные события;                              
A (t ) = ^52 (t) + S2 (t) - огибающая сигнала, мгновенная амплитуда;        
B = F ■ T                 - база сигнала;                                   
C                         - пропускная способность канала (бит/с), множество
                          сообщений источника;                              
C'                        - пропускная способность канала (бит/символ или   
                          бит/отсчет), множество разрешенных кодовых слов;  
C"                        - множеств о возможных кодовых слов;              
C                         - число сочетаний из n по i;                      
n                         - дисперсия случайной величины или процесса;      
D                         - динамический диапазон;                          
x                         - расстояние между сигнальными точками;           
D                         - расстояние по Хеммингу между двоичными          
c                         последовательностями, минимальное расстояние по   
d (Si, s 2)               Хеммингу между комбинациями линейного             
d (C1, C2)                блокового кода;                                   
E = j S2 (t) dt - энергия сигнала;                            
t                                                             
t 1             - ошибка в оценивании случайного параметра или
E (x)           процесса, шум наблюдения или квантования;     
F ()            - функция распределения вероятностей;         
AF              - ширина спектра сигнала (канала);            
c               - циклическая частота;                        
f = 1/          - защитный интервал частот;                   
f = /Т          - спектральная плотность мощности;            
Af              - импульсная характеристика линейной цепи;    
J защ                                                         
G (®)                                                         
g(t)                                                          
g, g'           - выигрыш и обобщенный выигрыш системы        
                модуляции;                                    

7

H (X), H ( x/y )  - энтропия и условная энтропия дискретной случай-  
                  ной величины (дискретного источника);              
H'(X)             - производительность дискретного источника;        
h (X) • h ( x/y ) - дифференциальная энтропия и условная дифферен-   
                  циальная энтропия непрерывной случайной величи-    
                  ны;                                                
h 2 = A           - отношение энергии элемента сигнала на входе демоNо                дулятора к односторонней спектральной плотности    
                  мощности белого шума;                              
P       hг        - отношение нормированной энергии сигнала на 1 бит 
h 1 = -P- = ----- информации (битовой энергии) к односторонней       
N0 R и R log2m    спектральной плотности мощности белого шума;       
1 (X)             - количеств о информации в отдельно взятом единич- 
                  ном сообщении xi;                                  
I (Y,X)           - количеств о информации, переданной по дискретно- 
                  му каналу;                                         
j                 - знак мнимой единицы, j = у/-1;                   
K                 - коэффициент сжатия источника;                    
'kC3K. и          - объем алфавита дискретного источника;            
K                 - число информационных символов в кодой комбина-   
k                 ции;                                               
mAM               - индекс амплитудной модуляции;                    
mVM               - индекс угловой модуляции;                        
mx = M {X }       - математическое ожидание случайной величины       
                  (процесса);                                        
m                 - основание кода (объем алфавита кода);            
N0                - односторонняя (на положительных частотах)        
                  спектральная плотность мощности квазибелого и      
                  белого шума;                                       
n (t)             - аддитивный белый гауссовский шум;                
n                 - среднее число символов на одну букву;            

8

P (t)-S2 (t)       - длина (общее число символов) кодовой комбинации;   
                   - мгновенная мощность сигнала S (t);                 
P., = T JS 2 (t) - - средняя мощность сигнала;                          
t1                 - безусловная вероятность события. указанного в скобP ( ). Px          ках или обозначенного индексом;                      
p (x)              - вероятность появления символа алфавита;            
p f yj/1           - переходные вероятности появления символа у         
1 /xi 1            при условии передачи символа xt;                     
Pb ( Рэ )          - вероятность ошибки на один информационный бит      
                   (эквивалентная вероятность ошибки);                  
P'mu               - вероятность ошибочного приема символа;             
R = k-             - скорость кода;                                     
n                  - максимальная производительность при R = 1 (инфор-  
R Rlog2 m          мационная скорость) дискретного источника (бит/с).   
R и _  t           скорость передачи информации;                        
r = n - k          - число проверочных символов в кодовых комбинаци-    
                   ях блочного кода;                                    
R (t )             - нормированная функция корреляции. коэффициент      
                   корреляции;                                          
S = T/                                                                  
/T.                                                                     
S (t)              - скважность импульсной последовательности;          
S (t)              - случайный сигнал на выходе модулятора;             
S (t)              - комплексный (аналитический) сигнал;                
ds (t)             - преобразование Гильберта от сигнала S(t);          
\ = лГ =           - крутизна фронта колоколообразного импульса;        
dt                 - спектральная плотность сигнала по Фурье;           
S (Q)              - реализация случайного сигнала на выходе передат-   
s (t)              чика;                                                

9

T            - длительность тактового интервала, длительность фи             нитного сигнала, знак транспонирования матрицы;     
t            - текущее время;                                    
V (t)        - случайный сигнал на входе приемника (детектора)   
             без учета аддитивных помех;                         
u (t)        - реализация случайного сигнала на входе приемника  
             (детектора) без учета аддитивных помех;             
V            - скорость передачи (число символов в секунду) дис- 
             кретного источника (канала), число отсчетов в одну  
             секунду непрерывного сигнала;                       
W (c)        - вес кодового слова;                               
Wj           - функция Уолша;                                    
w (x, t)     - одномерная плотность распределения вероятности    
             случайной величины (случайного процесса);           
X, Y         - алфавит сообщений на входе и выходе дискретного   
             канала;                                             
x (t), У (t) - вектор (цепочка символов) сообщений на входе и    
             выходе дискретного канала;                          
a            - коэффициент группирования ошибок;                 
p( M )=f     - спектральная цена уплотнения;                     
p=~R~        - коэффициент использования канала по мощности      
PJNо         (энергетическая эффективность системы);             
*()          - дельта-функция;                                   
R            - коэффициент использования канала по полосе час-   
Y =---       тот (частотная эффективность системы);              
AF                                                               
A            - шаг дискретизации непрерывного сигнала во времени;
7 = Р°ш      - эффективность помехоустойчивого кода;             
РДКи (°)                                                         

10