М-позиционные сигналы
Оптимальные системы связи с М-позиционными сигналами (М-сигналами) (ортогональными и симплексными) впервые были предложены и исследованы В. А. Котельниковым. Значение теории приема М-сигналов состоит в том, что в системах связи, где они используются, можно достичь тех предельных характеристик качества приема, на которые впервые в 1948 г. указал создатель теории информации [11], крупнейший современный ученый в области связи К. Шеннон. Он показал, что в оптимально построенной системе связи возможна безошибочная передача информации в том случае, если выполняется условие
R = (ln М)/Т < С = F ln (1 + Рs/Рn),
где R - скорость передачи М-сигнала, Т - время передачи (стремящееся к бесконечности), С - пропускная способность канала связи, F - полоса частот канала связи, Рs и Рn - мощности полезного сигнала и шума, действующего в канале.
Доказательство этого положения в [11] не носило конструктивного характера, так как не указывались способы передачи и приема сигналов в такой системе связи.
В 1950 г. знаменитый американский ученый С. О. Раис - один из создателей современной статистической радиотехники, опубликовал работу, в которой рассмотрел оптимальный прием М-сигналов в TV-мерном пространстве (N = 2FT). Поскольку методы построения оптимального ансамбля М-сигналов в те годы не были известны, он впервые выдвинул идею случайного кодирования и нашел формулу для средней вероятности ошибочного приема по случайно выбранным ансамблям таких сигналов. Эта сложная формула давала весьма важную зависимость: Рош = f(R,С,N). Статьей Раиса был наведен мост между теорией оптимального приема и теорией информации. Эта статья сыграла весьма важную роль в их дальнейшем развитии. Работа Раиса показывала, что теория потенциальной помехоустойчивости может служить инструментом для конструктивного доказательства положений теории информации, касающихся пропускной способности каналов связи. Результаты Раиса были развиты рядом крупных ученых.
В 1955-1958 гг. известные советские ученые Э. Л. Блох, академик А. А. Харкевич и Н. К. Игнатьев, используя математическую теорию плотнейшего заполнения TV-мерного пространства равными шарами, нашли ряд оптимальных ансамблей М-сигналов, позволяющих передавать сообщения в каналах с белым гауссовским шумом. В 1959-1963 гг. Шеннон, А. В. Балакришнан и Д. Слепян опубликовали работы, в которых были развиты методы вычисления зависимости Pош = f(R,C,N) сделаны важные выводы о потенциальной помехоустойчивости оптимального приема М-сигналов. Многочисленные результаты, связанные с проблемой передачи и приема М-сигналов, полученные до 1966 г., были отражены в книге известных советских специалистов К. А. Мешковского и Н. Е. Кириллова [12].
Проблема вычисления вероятности ошибочного приема для М-сигналов весьма сложна в математическом плане, и до 70-х гг. продолжаются исследования, в которых развиваются методы получения достаточно точных оценок зависимости Pош = f(R,С,N) для таких сигналов. Наиболее важные результаты в этом направлении получены американскими учеными А. Г. Нутталлом, исследовавшим помехоустойчивость когерентного и некогерентного приема равно коррелированных М-сигналов, и Галлагером [13], разработавшим метод оценки сверху Pош при приеме М-сигналов. Другой эффективный метод оценки сверху Pош при приеме произвольных М-сигналов разработан в [14]. В этой работе рассмотрен ряд примеров его применения для конкретных систем связи, работающих в каналах с замираниями и без замираний.
В конце 50-х - начале 60-х гг. продолжались исследования помехоустойчивости приема ортогональных и биортогональных М-сигналов в TV-мерном пространстве (М = N и М = 2N соответственно) и М-сигналов в двухмерном пространстве. Применение М-сигналов при М > N позволяет в заданной полосе частот передавать сообщения с большей скоростью, т. е. более эффективно использовать полосу частот канала связи. Это особенно актуально в радиосвязи.
Л. М. Финком и B. C. Котовым получены результаты, определяющие потенциальную помехоустойчивость приема четырехпозиционных сигналов с ЧМ [сигналов ДЧТ-двуканального частотного телеграфирования (модуляции)] в каналах с неопределенной фазой при произвольном законе флуктуации уровня принимаемого сигнала. Идея системы ДЧТ, в которой передача сигналов происходит на четырех различных частотах, была предложена еще в 1923 г. советским академиком, известным специалистом в области распространения коротких волн А. Н. Щукиным. В 1946 г. в СССР инженером И. Ф. Агаповым эта система была реализована и широко применялась в России на линиях коротковолновой связи.
Следует особо выделить работы Кана [15], Компопиана и Глазера [16] и Смита [17], в которых в 60-х гг. были предложены и исследованы весьма важный класс двухмерных М-сигналов с амплитудно-фазовой (ФАМ-сигналы) и квадратурной амплитудной модуляцией (КАМ-сигналы). Такие сигналы, при выполнении условия М >> N, позволяют намного эффективнее использовать полосу частот канала связи, отведенную для их передачи, по сравнению с сигналами ЧМ и ФМ. Сигналы КАМ весьма просты в реализации, и при М = 16...256 они нашли широкое применение в современных цифровых системах связи и, в частности, радиорелейной.
В это же время разворачиваются обширные исследования по синтезу N-мерных М-сигналов, позволяющих с высокой эффективностью использовать полосу частот канала связи и имеющих высокую помехоустойчивость приема. По существу происходит синтез идей теории модуляции и теории кодирования.
Американский ученый Слепян [18] был одним из первых, кто предложил метод построения ансамбля сигналов для случая, когда N и М имеют произвольные значения и М >> N. Все сигналы этого ансамбля получаются из одного в результате перестановок его символов. Этот метод Слепян назвал перестановочной модуляцией. Он показал возможность достижения высокой помехоустойчивости приема сигналов при их передаче этим методом.
В США И. Ридом и С. Шольцем, В. К. Линдсеем и М. К. Симоном в общем виде исследована помехоустойчивость приема "в целом" ансамбля М-сигналов, в которых отдельные сигналы содержат L ортогональных компонентов. Каждый из них может иметь АГ-кратную ФМ (М = LK).
Ленинградским ученым В. В. Гинзбургом были предложены новые сигнально-кодовые конструкции М-сигналов (СКК), в которых применялись многократная ФМ и различные виды корректирующих кодов. Новый подход к созданию СКК, основанный на использовании определенного правила двоичного представления сигнальных точек при разбиении используемого ансамбля сигналов на вложенные подансамбли с увеличивающимся минимальным расстоянием, был предложен Унгербоеком [19].
Интенсивные теоретические исследования СКК были выполнены в 80-х гг. советскими учеными В. Л. Банкетом, В. В. Зябловым и С. Л. Портным. Ими рассмотрены вопросы помехоустойчивого кодирования в спутниковых каналах с многопозиционной ФМ, разработаны методы синтеза СКК на основе каскадных кодов, выполнен анализ возможностей применения сверточных кодов для синтеза СКК. Результаты этих исследований вошли в книги [20, 21].
Заключение
Прошло немногим более 50 лет с момента зарождения теории потенциальной помехоустойчивости и теории информации, у истоков которых стоят два выдающихся современных ученых В. А. Котельников и К. Е. Шеннон. В открытую ими новую область устремились сотни ученых, и сегодня виден тот колоссальный прогресс, который достигнут благодаря их усилиям.
Можно, по-видимому, утверждать, что именно в области теории оптимального приема М-сигналов были получены наиболее значительные для прогресса в области телекоммуникаций результаты, который без нее был бы недостижим. Эти результаты, являющиеся итогом коллективного интернационального труда многих исследователей, состоят в следующем:
сконструированы двухмерные сигналы (ЧМ с непрерывной фазой, ФАМ и КАМ-сигналы) и исследована их помехоустойчивость;
исследована помехоустойчивость приема ортогональных сигналов и двухмерных М-сигналов с ФМ;
разработаны методы оценки Pош в системах приема М-сигналов, которые позволили оценивать помехоустойчивость приема различных ансамблей сигналов и обоснованно выбирать соответствующие ансамбли для конкретных систем связи;
разработаны методы синтеза сигнально-кодовых конструкций, применение которых в системах связи позволяет достичь предельных характеристик, определяемых законами теории потенциальной помехоустойчивости и теории информации.
На примере истории развития этих теорий отчетливо можно видеть, как ноосфера - сфера идей активно взаимодействует с жизненной сферой, в которой эти идеи воплощаются в конкретные материальные объекты, изменяющие условия существования миллионов людей на Земле. Названные выше результаты в короткое время послужили основой для разработки и внедрения принципиально новых систем телекоммуникаций, с которыми человечество входит в XXI век.
Поистине прав был Данте, когда в XV веке писал:
"Все, что умрет, и все, что не умрет, -
Лишь отблеск Мысли, коей Всемогущий
Своей Любовью бытие дает."
Действительно, Мысль нескольких первооткрывателей теории потенциальной помехоустойчивости и теории информации породила у многочисленных их последователей мощный поток идей. Эти идеи, в свою очередь, получили материальное воплощение в вызывающем изумление прогрессе техники связи, произошедшем за последние годы.