Разработка алгоритмов работы и оценка информационных характеристик системы передачи информации

Как известно, все процессы, которые происходят в окружающем мире, в том числе и на производстве, связаны с информацией - её получением, обработкой, хранением, передачей и отображением. В дисциплине «информационные основы электронной техники» понятие «информация» является одной из основных категорий, но в наше время однозначной трактовки не имеет.

Информацию, с технической точки зрения, определяют как совокупность данных, сведений о каких-либо процессах, событиях предназначенных для хранения, передачи и преобразования и представляющие интерес для потребителя. Носителем информации является сообщение: текст, изображение, речь, музыка и т.д. То есть информация представленная у формализованном виде - это сообщение.

Человек или техническое средство (прибор, измеряющий показания или параметры какого-нибудь объекта исследования, лист бумаги с текстом или изображением, ЭВМ и т.д.) представляют собой источник или получатель информации (сообщений). Для удобства технической обработки (записи, передачи, хранения и т.д.) сообщения должно быть превращено в сигнал - материальный носитель отображающий сообщение. Разделяют сигналы акустические, оптические, электрические и т.п. Сигнал можно превращать с одного вида в другой (электрический в акустический, оптический в электрический). Удобство использования сигнала состоит в том что его в электрическом (электромагнитном) виде можно передавать по каналам связи на очень большие расстояния. Каналом связи называют совокупность технических средств обеспечивающих передачу сообщений от источника к получателю по линии связи. Поскольку в канале связи присутствуют помехи (шумы) то, соответственно, сигналы искажаются и к получателю приходит информация с ошибками. Но можно устранить эти ошибки путём использования помехоустойчевых кодов и разных типов переспроса, но при этом увеличится время ожидания канала связи, а чтобы увеличить скорость передачи нужны материальные затраты на более скоростные технические средства связи.

С этого видно, что задание которое, необходимо решить при построении средств передачи информации, лежит в том чтобы получить последовательность сигналов на приемнике, которая как можно наименее отличается от отправленной последовательности и при этом обеспечить высокие технико-экономические показатели системы - скорость передачи информации, её достоверность и приемлемую стоимость.

Системой передачи информации (СПИ) называют такую систему которая при помощи технических средств выполняет одну или несколько таких функций, как сбор, передачи, превращения, накопления, хранения и обработки информации. Рассмотрим одноканальную СПИ.

Рисунок 1.1 Структурная схема одноканальной СПИ

На схеме видно что сообщения, которые исходят от источника информации (ИИ) к первичному преобразователю (ПП) и преобразуются в сигнал, чаще всего в электрический, для простоты обработки его с помощью различных технических средств. Далее сигнал поступает в кодер (К), где превращается в кодовою последовательность (двоичный код и т.д.), и с помощью него можно выполнить защиту и сжатие информационных данных. Кодовая последовательность поступает в модулятор (М), который в свою очередь модулирует (преобразует) кодовую комбинацию кодера в электрический сигнал следующим образом (на примере двоичного кода: нули кода будут соответствовать низким частотам напряжения тока, а более высоким - единице). Далее модулированный сигнал проходит через линии связи в котором присутствуют шумы, а иначе говоря помехи которые могут быть вызваны физическими факторами которые влияют на канал связи. На данном участке сигнал подвергается искажениям и принимает некоторые изменения. Следующими этапами будет демодуляция (ДМ) , декодирование (ДК) и преобразование (ПП) у сообщение предназначенное приемнику информации (ПИ).

На практике часто необходимо обеспечить в информационных системах независимую передачу сообщений от нескольких источников. Использование для каждого источника сообщений отдельной линии связи экономически нецелесообразно. Например, для современных технических СПИ линии связи являются наиболее дорогостоящими звеньями. Поэтому возникает задача построения систем, использующих одну линию связи для передачи сообщений от нескольких источников. Такие системы называются многоканальными.

Для организации эффективной передачи информации по каналу требуется решение следующих проблем: определение максимально возможной скорости передачи информации по каналу; разработка кодов, позволяющих увеличить скорость передачи информации; согласование канала с источником с целью передачи информации с минимальными потерями. Решение этих задач зависит от свойств источников, уровня и характера помех.

Повышение помехоустойчивости является одной из наиболее важных задач передачи информации. Увеличение помехоустойчивости не даётся даром. Оно связано с введением определённой избыточности, т. е. с увеличением объёма сигнала Vc. Если ёмкость канала это допускает, могут быть приняты меры, повышающие надёжность передачи. Отметим некоторые из них.

1. Простейшей мерой является увеличение мощности сигнала Pc. Это приводит к дополнительному превышению сигнала над помехой и соответствующему увеличению объёма сигнала Vc.

2. Применение помехоустойчивого кодирования. Помехоустойчивое кодирование всегда связано с введением избыточных символов в

. код передаваемого сообщения. Эти символы позволяют на приёмной стороне обнаружить и исправить ошибки. Введение дополнительных символов увеличивает либо время передачи Tc, либо частоту передачи символов кода, что приводит к расширению спектра сигнала Fc.

. Применение помехоустойчивых видов модуляции. Большая помехоустойчивость отдельных видов модуляции достигается либо благодаря широкому спектру Fc модулированного сигнала (частотная, фазовая, фазоимпульсная и другие виды модуляции), либо путём увеличения времени передачи Tc (например, при использовании для кодоимпульсной модуляции достаточно широких импульсов, что уменьшает спектр, но увеличивает длительность передачи).

. Применение помехоустойчивых методов приёма. Применение различных методов фильтрации принимаемого сигнала увеличивает помехоустойчивость, но связано с увеличением времени приёма и, следовательно, требует увеличения времени передачи Tc.

. Применение каналов с обратной связью. Если имеется возможность установить дополнительный канал связи между передающим и приёмным пунктами или такой канал уже существует, то его можно использовать как канал обратной связи. В ряде случаев обратный канал может иметь большую надёжность, чем прямой, либо в связи с малым объёмом информации, передаваемой по нему, что даёт воз-можность использовать помехоустойчивые методы передачи, либо в связи с различием характеристик этих каналов(приёмно-передающих устройств).

Это обстоятельство позволяет повысить надёжность прямой передачи.

Как известно, использования СПИ с обратной связью - является одним из методов повышения верности цифровых сообщений. В системах с обратной связью передатчик с приемником соединены прямым и обратным каналами электросвязи, причем передатчик при вводе избыточности и выборе требуемого режима роботы использует информацию о состоянии прямого канала, получаемого из обратного канала связи.

В системах с обратной связью имеется возможность получать по обратному каналу электросвязи информацию о конкретном характере ошибок на каждом отдельном отрезке сообщения и по мере его передачи изменять вводимую избыточность и режим приема сигналов. В результате такого метода передачи сигналов данных можно существенно повысить верность обмена данными при большей средней скорости передачи или меньшей задержки сообщений.

Значительный выигрыш в системах с обратной связью достигается при независимости ошибок в прямом и обратном каналах и в случае использования обратного канала, характеризуемого значительно меньшей вероятностью ошибочного приема сигналов, чем в прямом канале.

Системы с РОС с обнаруживающими ошибки кодами получили в настоящее время наиболее практическое применение для передачи данных по дуплексным (двусторонним) каналам связи. Они нашли широкое применение в информационных системах, использующих для передачи дискретной информации телефонные и телеграфные каналы связи, причём среди практиков-эксплуатационщиков, работающих в области передачи дискретной информации, широко распространено мнение, что системы с РОС гораздо рациональнее применять передачи информации в канале связи с помехами, чем заниматься исправлением ошибок.

Более того, существует мнение, что использование систем с обратной связью решает проблему надёжной связи по любым каналам и исключает необходимость в помехоустойчивом кодировании. Но, с одной стороны, далеко не все каналы имеют обратную связь, с другой - при наличии обратной связи могут возникнуть недопустимо большие задержки в передаче сообщений от источника к адресату. Кроме того, отказ от исправления ошибок часто приводит к неэффективному использованию потенциальных возможностей прямого и обратного каналов.

В зависимости от алгоритма работы системы с РОС делятся на несколько видов. Мы рассмотрим только три из них.

1. Системы с пакетным переспросом (РОС-ПП). Комбинации помехоустойчивого кода в таких системах объединяются по h штук в пакеты, которые заканчиваются контрольными разрядами, с помощью которых происходит обнаружение искажённых двоичных комбинаций. Принятые без обнаруженных ошибок комбинации накапливаются в приёмном устройстве (а именно в накопителе «приёма»), и, если в накопителе после приёма пакета не будет записана хотя бы одна из h комбинаций, по обратному каналу посылается сигнал запроса всего пакета. При повторной передаче из всего блока приёмник отбирает комбинации, отсутствующие в накопителе, и так до тех пор, пока в накопителе не окажутся записанными все h комбинаций.

2. Системы с адресным переспросом (РОС-АП). Эти системы аналогичны системам с РОС-ПП, но информационная последовательность разбивается на информационные блоки (подпакеты), в каждом из которых находится свой контрольный разряд. Для повышения скорости передачи сообщений по обратному каналу передаётся сложный сигнал запроса (квитанция), содержащий номера (адреса) переспрашиваемых подпакетов. В соответствии с этим передатчик повторяет только не принятые подпакеты, а не весь пакет, как в системах с пакетным переспросом.

. Системы с векторным переспросом (РОС-ВП). Если при адресном переспросе адрес искажённого подпакета указывается с помощью двоичного числа, то в случае векторного переспроса адрес искажённого подпакета указывается с помощью двоичного вектора, у которого 0 соответствует правильной передаче подпакета, а 1 - искажённой.

. Сигналы с ожиданием сигнала ОС (РОС ОЖ). В таких системах передатчик после передачи очередной комбинации находится в состоянии покоя до тех пор, пока по ОК не придет сигнал ОС. В зависимости от этого сигнала передатчик повторяет ранее переданные комбинации или посылает очередную комбинацию, вновь переходит в режим ожидание и т. д.

Структурная схема систем с РОС показана на рис. 1.2.

Рисунок 1.2 − Структурная схема с РОС

При передаче сообщений с большой скоростью телеграфирования и на большие расстояния чаще всего используют системы с РОС-ПП, скорость передачи информации в которых резко уменьшается при больших h и с увеличением вероятности обнаруживаемых ошибок Poo, так как при этом резко увеличивается число переспросов. С целью уменьшения объёма информации, передаваемой повторно при запросах, были разработаны системы с РОС-АП и РОС-ВП. Это уменьшило потери времени на повторную передачу комбинаций и соответственно увеличило среднюю скорость передачи сообщений.

Недостатком систем с РОС-АП является более сложный, чем в системах с пакетным переспросом, алгоритм обработки сообщений, передаваемых по прямому и обратному каналам, и, как следствие, большая сложность технической реализации аппаратуры. Применение указанных систем целесообразно на линиях большой протяжённости и с высокой вероятностью ошибочного приёма символа Pэ.

Векторный же переспрос целесообразно применять в индустриальных каналах связи с высоким уровнем искажений и большим числом искажённых подпакетов.

В зависимости от алгоритма работы системы с РОС делятся на несколько видов.

1. Системы с пакетным переспросом. Комбинации помехоустойчивого кода в таких системах объединяются по n штук в пакеты, которые заканчиваются контрольными разрядами, с помощью которых происходит обнаружение искажённых двоичных комбинаций. Принятые без обнаруженных ошибок комбинации накапливаются в приёмном устройстве (а именно в накопителе «приёма»), и, если в накопителе после приёма пакета не будет записана хотя бы одна из h комбинаций, по обратному каналу посылается сигнал запроса всего пакета. При повторной передаче из всего блока приёмник отбирает комбинации, отсутствующие в накопителе, и так до тех пор, пока в накопителе не окажутся записанными все n комбинаций.

2. Системы с адресным переспросом. Эти системы аналогичны системам с пакетные переспросом, но информационная последовательность разбивается на информационные блоки, в каждом из которых находится свой контрольный разряд. Для повышения скорости передачи сообщений по обратному каналу передаётся сложный сигнал запроса, содержащий номера переспрашиваемых подпакетов. В соответствии с этим передатчик повторяет только не принятые подпакеты, а не весь пакет, как в системах с пакетным переспросом.

Системы с векторным переспросом. Если при адресном переспросе адрес искажённого подпакета указывается с помощью двоичного числа, то в случае векторного переспроса адрес искажённого подпакета указывается с В зависимости от алгоритма работы системы с РОС делятся на несколько видов.

3. Системы с пакетным переспросом. Комбинации помехоустойчивого кода в таких системах объединяются по n штук в пакеты, которые заканчиваются контрольными разрядами, с помощью которых происходит обнаружение искажённых двоичных комбинаций. Принятые без обнаруженных ошибок комбинации накапливаются в приёмном устройстве (а именно в накопителе «приёма»), и, если в накопителе после приёма пакета не будет записана хотя бы одна из h комбинаций, по обратному каналу посылается сигнал запроса всего пакета. При повторной передаче из всего блока приёмник отбирает комбинации, отсутствующие в накопителе, и так до тех пор, пока в накопителе не окажутся записанными все n комбинаций.

4. Системы с адресным переспросом. Эти системы аналогичны системам с пакетные переспросом, но информационная последовательность разбивается на информационные блоки, в каждом из которых находится свой контрольный разряд. Для повышения скорости передачи сообщений по обратному каналу передаётся сложный сигнал запроса, содержащий номера переспрашиваемых подпакетов. В соответствии с этим передатчик повторяет только не принятые подпакеты, а не весь пакет, как в системах с пакетным переспросом.

. Системы с векторным переспросом. Если при адресном переспросе адрес искажённого подпакета указывается с помощью двоичного числа, то в случае векторного переспроса адрес искажённого подпакета указывается с помощью двоичного вектора, у которого 0 соответствует правильной передаче подпакета, а 1 - искажённой.

Рисунок 1.3 - структурная схема векторного переспроса

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

М	−	модулятор;
К	−	кодер;
ДК	−	декодер;
ДМ	−	демодулятор;
ИИ	−	источник информации;
ПИ	−	получатель информации;
УОО	−	устройство обнаружения ошибки;
БФВО	−	блок формирования вектора ошибки;
П	−	преобразователь;
БПВО	−	блок памяти вектора ошибки;

Перечень сокращений

ДК - декодер;

ДМ - демодулятор;

ИИ - источник информации;

К - кодер;

ЛС - линия связи;

М - модулятор;

ОК - обратный канал;

ПИ - получатель информации;

ПП - первичный преобразователь;

ПШС - практическая ширина спектра;

Рис. - рисунок;

РОС - решающая обратная связь;

РОС-АП - решающая обратная связь с адресным переспросом;

РОС-ВП - решающая обратная связь с векторным переспросом;

РОС-ПП - решающая обратная связь с пакетным переспросом;

РУ - решающее устройство;

См. - смотрите;

СПИ - система передачи информации;

Т. е. - то есть;

Т. п. - тому подобное.

• Вероятность появления символа в тексте
• Синтез кодового отображения
• Минимизация синтезированного кодового отображения методом двойного отображения по вероятности необнаружения ошибок
• Определение вероятностей обнаружения ошибок Роо(fmin,A), необнаружения ошибок Рно(f,A) и правильной передачи Рпп(fmin,A) для минимизированного кодового отображения fmin
• Оценка информационных потерь H(B/A) при передаче информации в канале связи и количества полученной информации I(B,A)
• Подсчет среднего времени передачи информации по каналу связи. Определение требуемой емкости канала связи
• Синтез алгоритмов работы и структурная схема СПИ

Другие стьтьи в тему

Расчет настроек типовых регуляторов в одноконтурной автоматической системе реагирования
автоматический Цель работы: Определить настроечные параметры (настройки) типового (ПИ, ПИД, ПД) регулятора в одноконтурной АСР, обеспечивающие минимум интегрального квадратичного критерия I0 при заданном ограничении запаса устойчивости m≥mзад. Выбрать промышленный регулят ...

Разработка управляемого контролера на базе микропроцессорного комплекта серии КР580
Если всего лишь несколько десятков лет назад свойствами программируемости характеризовались только крупные блоки и узлы управляющих систем, то в настоящее время этими свойствами характеризуется интегральная база (микропроцессор, однокристальная микро-ЭВМ), что и обеспечивает ее широки ...