Способ передачи информации по сильно зашумленному каналу связи
На физическом уровне для передачи информации используются разные технологии. Например, технологии передачи электрических сигналов по проводам, световых импульсов по оптоволокну, звуковых сигналов по воздуху или под водой, электромагнитных импульсов. У всех технологий существует проблема, связанная с ограничением дальности и качества связи из-за паразитного шума в канале связи. Сигнал может быть настолько зашумлен, что выделить из него информацию кажется невозможным. Проблема отчасти решается с помощью метода синхронного детектирования или накоплением периодического сигнала. Однако, если присутствует существенная НЧ составляющая шума, либо частота полезного сигнала забивается периодическими составляющими шума, эти методы бессильны. Как помочь делу?
Для решения проблемы можно использовать информационные импульсы с псевдослучайным профилем. Например, такие:
Зависимость амплитуды импульса от времени в усл. ед.
Параметры импульса: амплитуда — 0,2 усл. ед., число пичков — 200, длительность пичка — 5, общая длительность — 2000.
Зная форму таких импульсов (ключ), передающая и принимающая стороны могут кодировать и декодировать передаваемую информацию соответственно. Передающая сторона кодирует информационное сообщение в виде временной последовательности из таких импульсов (каждому соответствует логическая 1, например) и промежутков (0). Принимающая сторона же выделяет импульсы из поступающего сигнала и декодирует сообщение. Чем же лучше такие импульсы, ведь они также потонут в шуме при слабом приёме, что и импульсы других форм? Идея в том, что при декодировании отдельные пички каждого такого импульса можно просуммировать с учетом знака. Положительные пички войдут в сумму со знаком +, отрицательные со знаком -. После такой операции все случайные и неслучайные составляющие шума компенсируются с высокой вероятностью, а сумма амплитуд пичков многократно превысит амплитуду одного пичка. При превышении суммой пичков некоторого (установленного) уровня отсечки суммарного шума доверительная вероятность регистрации информационного импульса станет достаточно близка к 1.
Ниже представлены два кусочка сигнала, которые могут поступить в приёмный тракт: гауссов случайный шум и шум с добавленным псевдослучайным импульсом. Генерация шума происходила в интервале (-3, 3) со СКЗ = 1. Большие всплески маловероятны, поэтому их можно опустить.
Кусочек гауссова шума (СКЗ = 1)Кусочек гауссова шума с наложенным импульсом
Визуально отличить кусочек шума с импульсом от чистого шума невозможно. Также не получится это сделать путем статистического анализа. Ниже представлены гистограммы и АКФ гауссова шума и шума с наложенным импульсом.
Гистограмма гауссова шума (СКЗ = 1, всего 2000 точек)Гистограмма шума с наложенным импульсомАКФ шумаАКФ шума с наложенным импульсом
При суммировании участков шума с импульсом, соответствующих пичкам, относительно суммы компонент шума растёт сумма амплитуд пичков информационного импульса, достигая величины 40 у.е. Вероятность достижения суммой компонент шума такой величины достаточно мала. При расчётах был выбрана величина отсечки суммарного шума в 20 у.е. Компонента шума — это среднее арифметическое значение шума в пределах длительности одного пичка (5 у.е.).
Таким образом, описанный способ организации помехоустойчивой связи может не только существенно увеличить дальность действия связи при имеющихся мощности передатчика и чувствительности приёмника, но и сделать связь незаметной.
Какие есть ограничения у способа?
Во-первых, это необходимость строгой синхронизации часов у передающей и принимающей стороны. Принимающей стороне нужно знать моменты времени, в которые начинать математическую обработку поступающего сигнала для выделения информационных импульсов. Чем лучше будут синхронизированы часы, тем большая будет скорость связи (больше коротких импульсов в единицу времени). Отлично подойдут компактные атомные часы. Однако, сгодятся и часы с кварцевыми генераторами, особенно, если они будут периодически подводиться по сигналам со спутников или синхронизироваться путем передачи информационного сообщения с текущим временем передатчика приёмнику.
Во-вторых, необходимо знать с достаточно хорошей точностью расстояние между передатчиком и приёмником. Ведь пока сигнал будет распространятся, пройдёт некоторое время, которое нужно добавлять при вычислениях ко времени передатчика. Особенно актуально это для относительно медленной акустической связи.
В-третьих, особенности среды распространения могут влиять на скорость сигнала, в т. ч. динамически. Это нужно учитывать при определении временной задержки.
В-четвертых, это упомянутые ограничения по мощности передатчика и чувствительности приёмника. Они актуальны для всех технологий связи. Если амплитуда пичков информационных импульсов в месте приёма будет ниже порога чувствительности приёмника (определяемой видом антенны, качеством приемного тракта), складывать будет попросту нечего.
Описанные ограничения скажутся на скорости и относительной сложности организации связи по такому способу. Однако, он может найти свою нишу там, где требуется дальнодействующая или незаметная связь с невысокими требованиями к скорости. А что думаете вы?
P.S. Расчёты на Python выложены тут.
