Критерии оценки помехоустойчивости информационных систем

ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Общая характеристика помех и искажений в каналах связи

В реальном канале сигнал при передаче искажается, и сообщение воспроизводится с некоторой ошибкой. Причиной таких ошибок являются искажения,вносимые самим каналом, и помехи,воздействующие на сигнал.

Частотные и временные характеристики канала определяют так называемые линейные искажения. Кроме того, канал может вносить и нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью тех или иных его звеньев. Как линейные, так и нелинейные искажения обусловлены известными характеристиками канала и поэтому, в принципе, могут быть устранены путем надлежащей коррекции.

Следует четко отделять искажения от помех, имеющих случайный характер. Помехи заранее неизвестны и поэтому не могут быть полностью устранены.

Под помехами понимаются любые возмущения в канале передачи информации, вызывающие случайные отклонения принятого сообщения от переданного и затрудняющие его прием.

Откуда же берутся помехи и как они попадают в приемник? Приведем всем известный пример. В комнате прослушивается магнитофонная запись. Но слушатель воспринимает не только записанную музыку (полезное сообщение), но и разговоры соседей, и шум транспорта с улицы, и звуки из соседней комнаты и т. д. Это все помехи. Точно так же и в любом канале электросвязи. Современный мир полон не только звуков, но и электромагнитных колебаний естественного и искусственного происхождения. Они везде и всюду. Часть из них, конечно, теми или другими путями проникает на вход приемника, хотя мы и пытаемся этому препятствовать.

Помехи весьма разнообразны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам. Иногда помехи резко отличаются от сигнала, иногда даже трудно определить, где сигнал, а где помеха. Вдруг в телефоне слышно два разговора. Надо время, чтобы различить, где полезный сигнал, а где случайно подключившаяся «помеха». В то же время эта «помеха» – полезный сигнал для другого абонента.

Классификацию помех можно провести по следующим признакам:

– по происхождению (месту возникновения);

– по физическим свойствам;

– по характеру воздействия на сигнал.

По происхождению в первую очередь надо отметить внутренние помехи, например, внутренние шумы аппаратуры, входящей в канал связи, обусловленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, сопротивлениях и других элементах. Это так называемые тепловые шумы. Квадрат эффективного напряжения теплового шума на сопротивлении R определяется известной формулой Найквиста:

U²_ш = 4×k×T×R×F,

(9.1)

где Т – абсолютная температура сопротивления R;

F – полоса частот;

R=1,37*10^-23 В×с/град – постоянная Больцмана.

Как следует из (9.1), эти шумы принципиально устранимы только при абсолютном нуле (T = 0 К).

Среди внешних помех, то есть помех от посторонних источников, находящихся вне канала связи, можно назвать:

· атмосферные помехи (грозовые разряды, полярные сияния и др.), обусловленные электрическими процессами в атмосфере;

· индустриальные помехи, возникающие в электрических цепях электроустановок (электротранспорт, электрические двигатели, медицинские установки, системы зажигания двигателей и др.);

· помехи от посторонних станций и каналов, возникающие от различных нарушений режима их работы и свойств каналов;

· космические помехи, связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах, галактиках и других внеземных объектах.

По физическим свойствам различают флуктуационные и сосредоточенные помехи.

Флуктуационными называют помехи, обусловленные флуктуациями тех или иных физических величин. Название происходит от физического понятия флуктуации (от лат. fluctuation – колебание) – случайные отклонения физических величин от среднего значения.

Для такой помехи характерно очень малое число выбросов, превышающее средний уровень более чем в 3–4 раза. Но большие (в принципе, бесконечные) выбросы всегда имеются. Спектр помехи весьма широкий. Флуктуационные помехи проникают в систему связи не только извне, они зарождаются также внутри самой системы в различных ее звеньях.

Причинами внутренних флуктуационных помех являются в основном тепловой шум в проводниках и дробовый эффект в электронных приборах. К внешним флуктуационным помехам принято относить помехи космического происхождения, помехи, вызванные взаимными влияниями цепей в линиях связи (линейные и нелинейные переходы, попутный поток и некоторые другие). Хотя эти помехи по своему происхождению и не являются строго флуктуационными, но они обладают схожими признаками.

Мешающее воздействие флуктуационных помех зависит от характера передаваемого сообщения. В телефоне при речевом сигнале эта помеха прослушивается как звуковой шум, поэтому часто флуктуационную помеху называют флуктуационным шумом. На экране телевизора флуктуационные помехи вызывают размытость контуров и понижение контраста изображения, при телеграфной передаче – ошибочное принятие знаков. Характерной особенностью флуктуационных помех является то, что явления, порождающие эти помехи, лежат в физической природе вещей (дискретное строение вещества, дискретная природа электромагнитного поля) и принципиально не могут быть устранены.

К сосредоточенным по времени (импульсным) помехам относятся помехи в виде одиночных коротких импульсов различной интенсивности и длительности, следующих один за другим через случайные достаточно большие промежутки времени.

Причинами импульсных помех являются: грозовые разряды; радиостанции, работающие в импульсном режиме; линии электропередачи и другие энергоустановки; система зажигания и энергообеспечения транспорта; перегрузки усилителей; плохие контакты в оборудовании и питании; недостатки разработки и изготовления оборудования; эксплуатационные работы (реконструкция, профилактика, подключение к действующему каналу измерительных приборов, ошибочная коммутация и т. п.).

К сосредоточенным по спектру помехам относятся помехи посторонних радиостанций, генераторов высокой частоты различного назначения (медицинские, промышленные, бытовые и др.), переходные помехи от соседних каналов многоканальных систем. Обычно это гармонические или модулированные колебания с шириной спектра меньшей или соизмеримой с шириной спектра полезного сигнала. В диапазоне декаметровых волн, например, они являются основными видами помех.

По характеру воздействия на сигнал различают аддитивные и мультипликативные помехи.

Аддитивной является помеха, мгновенные значения которой складываются с мгновенными значениями сигнала. Мешающее воздействие аддитивной помехи определяется суммированием с полезным сигналом. Аддитивные помехи воздействуют на приемное устройство независимо от сигнала и имеют место даже тогда, когда на входе приемника отсутствует сигнал.

Мультипликативной называется помеха, мгновенные значения которой перемножаются с мгновенными значениями сигнала. Мешающее действие мультипликативных помех проявляется в виде изменения параметров полезного сигнала, в основном амплитуды. Мультипликативные помехи непосредственно связаны с процессом прохождения сигнала в среде распространения и поэтому ощущаются только при наличии сигнала в системе связи. Простейший пример – телефонная или радиотрансляционная линия с плохими контактами. Другим примером мультипликативной помехи являются интерференционные замирания сигнала при приеме на декаметровых волнах.

В реальных каналах электросвязи обычно имеет место не одна, а совокупность помех. Но все же основными можно считать флуктуационные помехи, воздействующие на сигнал как аддитивные.

Под искажениями понимают такие изменения формы сигнала, которые обусловлены известными свойствами цепей и устройств, по которым проходит сигнал. Главная причина искажений сигнала – переходные процессы в линии связи, цепях передатчика и приемника. При этом различают искажения: линейные, возникающие в линейных цепях; нелинейные, возникающие в нелинейных цепях. В общем случае искажения отрицательно сказываются на качестве воспроизведения сообщений и не должны превышать установленных значений (норм).

При известных характеристиках канала связи форму сигнала на его выходе всегда можно рассчитать по методике, изложенной в теории линейных и нелинейных цепей. А дальше измерение формы сигнала можно скомпенсировать корректирующими цепями или просто учесть при дальнейшей обработке в приемнике. Это уже дело техники. Другое дело помехи – они заранее неизвестны и поэтому не могут быть устранены полностью.

Борьба с помехами – основная задача теории и техники связи. Любые теоретические и технические решения о выполнении кодера и декодера, передатчика и приемника системы связи должны приниматься с учетом того, что в линии связи имеются помехи.

При всем многообразии методов борьбы с помехами их можно свести к трем направлениям:

1. Подавление помех в месте их возникновения. Это достаточно эффективное и широко применяемое мероприятие, но не всегда приемлемо. Ведь существуют источник помех, на которые воздействовать нельзя (грозовые разряды, шумы Солнца и др.).

2. Уменьшение помех на путях их проникновения в приемник. Следует отметить, что помехи обычно воздействуют на сигнал в среде распространения. Поэтому как проводные, так и радиолинии строятся так, чтобы обеспечить заданный уровень помех.

3. Ослабление влияния помех на принимаемое сообщение в приемнике, демодуляторе, декодере. Это возможно за счет применения специальных методов преобразования сигнала на передающей стороне и анализа принимаемого сигнала. Для цифровых систем передачи основным способом ослабления воздействия помех является помехоустойчивое кодирование.

Критерии оценки помехоустойчивости информационных систем

Под помехоустойчивостью понимают способность информационной системы противостоять вредному действию помех. В результате действия помех принятое сообщение будет в какой-то мере отличаться от переданного. Поэтому помехоустойчивость можно характеризовать как степень соответствия принятого сообщения переданному при заданной помехе. При сравнении нескольких систем та из них будет более помехоустойчивой, которая при одинаковой помехе обеспечит меньшее различие между принятым и переданным сообщениями.

Имеется несколько способов введения количественных характеристик помехоустойчивости. Рассмотрим сначала способы описания помехоустойчивости дискретных систем. Эти системы характерны тем, что все возможные сигналы конечной длительности образуют дискретное конечное множество; пусть общее число возможных сигналов равно N . Действие шумов сводится к тому, что некоторые символы в сигнале подменяются другими, в результате чего вместо переданного (например, i -го) сигнала принимается другой (например, k -й) сигнал. Помехоустойчивость системы связи наиболее полно может быть охарактеризована набором вероятностей {P_ik} того, что при передаче i -го сигнала будет принят k -й (i , k = 1,2,...,N); и если мы хотим задать требования к помехоустойчивости системы с учетом ценности каждого из сообщений в отдельности, то задание всей матрицы {P_ik} необходимо.

Однако сравнение систем по их матрицам {P_ik} (которые можно назвать «стохастическими матрицами трансформации сообщений» связано с рядом затруднений, а часто и не необходимо: достаточно ввести более простые характеристики помехоустойчивости. К таким простым параметрам относится, например, средняя вероятность ошибочного приема, Р_ош.ср.:

(9.2)

где p_i – вероятность передачи i - го сигнала.

Другим собирательным параметром, характеризующим помехоустойчивость системы, может служить остаточная средняя неопределенность относительно переданного сообщения, т.е. энтропия

Н₀= -(1 – Р_ош.ср.) log (1 – P_ош._ср.) – Р_ош.ср. log Р_ош.ср. (9.3)

Для непрерывных систем связи описание помехоустойчивости требует специфического подхода, так как множество возможных сигналов даже конечной длительности несчетно. Действие шумов в линии связи сводится к тому, что вместо отправленного сигнала x ( t ) на выходе премника наблюдается другая функция времени, y ( t ). Чем ближе y ( t ) к x ( t ) при заданном шуме, тем более устойчива система по отношению к данной помехе. Для количественного описания помехоустойчивости необходимо ввести меру различия двух функций x ( t ) и y ( t ). Чаще всего в качестве такой меры принимается средний квадрат разности сравниваемых функций:

(9.4)

«Расстояние» между функциями x ( t ) и y ( t ) может быть также определено с помощью так называемой абсолютной ошибки

(9.5)

Другим способом является «частотно-взвешенный эффективный критерий» [4]. Идея этого критерия состоит в том, чтобы придавать различным частотным компонентам разности х и у разные веса. Это эквивалентно пропусканию разности x ( t ) – y ( t ) через фильтр с определенной переходной функцией h ( t ); выходной сигнал такого фильтра выразится как

(9.6)

«Расстояние» между функциями x ( t ) и y ( t ) определится как средняя мощность сигнала на выходе рассматриваемого гипотетического фильтра:

(9.7)

Введенные выше меры различия отправляемого и принимаемого сигналов могут служить основой для характеристики помехоустойчивости систем. Например, система может считаться достаточно помехоустойчивой, если «расстояние» между отправленным сигналом и сигналом на выходе системы не превышает заданной величины.

В качестве меры помехоустойчивости могут быть приняты и другие числовые характеристики, например, логарифм обратной величины среднеквадратичной ошибки в непрерывном случае, минус логарифм вероятности ошибки в дискретном случае, различным способом введенные понятия эквивалентного отношения сигнала к шуму и пр.

Дата добавления: 2019-02-26; просмотров: 2098; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!