Методы повышения верности передачи дискретной

Информации

При передаче данных в телемеханических системах отсутствует внутренняя смысловая избыточность в сообщении. В этом случае возникает необходимость в передаче дискретной информации с повышенной верностью.

Верность передачи характеризуется вероятностью выдачи на выходе системы передачи дискретной информации (ПДИ) комбинации первичного К -элементного кода, отличающейся хотя бы одним элементом от соответствующей комбинации, поступившей на вход системы

Р ( 1, К).

Появление ошибки в канале зависит от многих факторов и оценивается как случайное явление. Количественно, появление ошибки оценивается вероятностью ошибки и рассчитывается как предел отношения появившихся ошибок n_ош к общему числу принятых импульсов n_общ при условии, что общее число импульсов стремится к бесконечности

Выполнить условие, чтобы n_общ стремилось к бесконечности практически невозможно. Поэтому используют такое понятие как частость ошибок P*_ош или коэффициент ошибок К_ош,который определяется отношением числа ошибочных элементов к общему числу принятых:

.

В предостаточно большом количестве n_общ (длительные сеансы передачи данных) величины P_ош и P*_ош мало отличаются друг от друга.

Различают коэффициент ошибки по:

-элементам:

,

-комбинации:

-сообщению:

Нормируемый коэффициент ошибки:

- для телеграфной передачи не должен превышать значения 3•10^-5 , а при передаче данных - 1•10^-6 степени.

- для многих технологических процессов вероятность ошибки в принимаемых данных должна быть не более 10^-6 - 10^-12 на бит.

В каналах тональной частоты проводных многоканальных систем передачи и радиоканалах - вероятность ошибки на бит составляет 10^-3 – 10^-2.

Реальные каналы связи не удовлетворяют требованию пользователей, поэтому возникает необходимость в повышении верности передачи.

Рис. 34 Методы повышения верности передачи дискретной информации

Все существующие методы защиты от ошибок можно разбить на две группы.

Первую группу составляют методы, направленные на ослабление действия помех (пассивные методы), которые, в свою очередь, могут быть разделены на организационно-технические и электротехнические.

Организационно-технические методы:

1) замена воздушных линий связи кабельными, в которых за счет экранирующего эффекта оболочки кабеля уменьшается уровень внешних помех;

2) скрещивание цепей на воздушных линиях связи и симметрирование пар и четверок в кабельных линиях для уменьшения взаимного влияния между цепями;

3) улучшение фильтрации в цепях электропитания;

4) повышение культуры технического обслуживания путем уменьшения ошибочных действий персонала при проверках аппаратуры, ремонте и профилактических работах на линиях.

Электротехнические методы:

1) улучшение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и фазочастотной характеристики (ФЧХ) каналов (АЧХ снижают уровень полезного сигнала на приеме, ФЧХ влияет на изменение формы дискретных сигналов, при этом появляются краевые искажения);

2) выбор наиболее помехоустойчивого вида модуляции: при модуляции на постоянном токе ДПМ (двухполюсная модуляция) имеет преимущества перед ОПМ (однополюсной модуляцией). При использовании переменного тока в качестве переносчика информации большей помехоустойчивостью обладает ФМ по сравнению с АМ и ЧМ;

4) увеличение отношения мощности сигнала к мощности помехи. Мощность сигнала ограничена нормами взаимного влияния цепей.

Вторая группа методов предусматривает введение логической избыточности в передаваемые сообщения (активные методы), которые разделены на статические и динамические методы защиты от ошибок.

В статических методах защиты от ошибок вносимая логическая избыточность остается постоянной вне зависимости от помехоактивности канала.

К статическим методам защиты от ошибок относятся два метода: метод применения корректирующих кодов, каждый из которых имеет постоянную избыточность и метод многоразовой передачи, избыточность которого определяется заранее обусловленным количеством повторений.

1) Метод применения корректирующих кодов

Построение любого корректирующего кода сводится к разбиению множества всех кодовых комбинаций V_К на две независимые части: V_i (подмножество разрешенных комбинаций) и V_j(подмножество запрещенных комбинаций).

V_i содержит разрешенные комбинации с кодовым расстоянием по множеству d(V_i) ³ 2. Эти комбинации используются для передачи информации.

V_jсодержит запрещенные комбинации, которые для передачи информации не применяются.

Правила отбора и логического построения комбинаций разрешенного подмножества для каждого корректирующего кода выбираются разными. Число вариантов построения корректирующего кода может быть большим.

В пункте приема определяют: если принятая комбинация принадлежит подмножеству разрешенных комбинаций V_i, то ошибок нет, а если к подмножеству запрещенных комбинаций V_j, то ошибка есть.

2) Метод многоразовой (повторной, многократной) передачи информации.

Метод предложен в 1932 г. Верданом (Германия). Применялся для телеграфной передачи. Одна и та же информация передается нечетное число раз (3, 5, 7, ...) без изменения. Решение о принятом символе выносится голосованием по принципу большинства.

Рис. 35 Голосование по принципу большинства

Решение о виде символа принимается в случае, когда все 3 раза символ выглядит одинаково, или когда он появляется в двух случаях из трех.

Недостаток метода: при увеличении кратности повторения передачи соответственно возрастает время передачи. Для устранения потерь времени был предложен метод одноразовой передачи одновременно по нескольким каналам, желательно пространственно разнесенным.

Динамические методы защиты от ошибок:

1. Применение систем с решающей обратной связью (РОС);

2. Применение систем с информационной обратной связью (ИОС);

3. Применение систем с комбинированной обратной связью (КОС).

1. Применение систем с решающей обратной связью

В системах с решающей обратной связью (РОС) решение на повторение или выдачу комбинации в приемник сообщения (ПС) принадлежит приемнику, передатчик лишь управляет приемником с помощью сигналов, передаваемых по каналу обратной связи.

Канал обратной связи используется для передачи решений, принимаемых приемником по комбинациям.

В системах с решающей обратной связью (РОС) по обратному каналу посылаются сигналы решения о правильности или неправильности принятого блока. Сигналы решения еще называются «Подтверждение» и «Запрос». Сигнал «Запрос» вызывает повторную передачу блока.

По способу функционирования системы РОС делятся на следующие классы: системы с ожиданием (РОС-Ож), системы с накоплением правильно принятых комбинаций (РОС-НК), системы с адресным переспросом (РОС-АП).

Системы с ожиданием (РОС-Ож).

Передатчик ожидает решения о переданном блоке, если за определенное время сигнал не поступает, передатчик повторяет ранее переданную комбинацию.

Системы с накоплением правильно принятых комбинаций (РОС-НК).

В этих системах кодовые комбинации объединены в блоки, состоящие из m комбинаций. В приемнике системы имеется накопитель на

m комбинаций. Если после приема блока хотя бы одна из m комбинаций не будет принята, то формируется сигнал переспроса, единый на весь блок. Повторяется снова весь блок, а в приемнике системы из блока отбираются комбинации, не принятые при первой передаче. Переспросы повторяются до тех пор, пока не будут приняты все комбинации блока.

Системы с адресным переспросом (РОС-АП).

Эти системы аналогичны системам с накоплением РОС-НК, но отличаются тем, что приемник передает сигнал переспроса, в котором указываются условные номера (адреса) не принятых приемником комбинаций блока. При этом, передатчик повторяет не весь блок, а лишь не принятые комбинации.

Структурная схема системы с ожиданием (РОС-ОЖ)

Рис. 36 Структурная схема системы РОС-Ож

На рис. 36:

ИС– источник сообщений;

КУ – кодирующее устройство;

ПрдП – передатчик прямого канала;

ПрмП – приемник прямого канала;

ДУ– декодирующее устройство;

УУ – управляющее устройство;

ЗУ1 – запоминающее устройство;

ЗУ2 – запоминающее устройство;

АСР – анализатор сигнала решения;

ПрмО – приемник обратного канала;

УОО – устройство обнаружения ошибок;

ДСР –датчик сигналов решения;

ПрдО-передатчик обратного канала;

ПС – приемник сообщения.

Рис. 37 Структурная схема алгоритма работы системы РОС-Ож

Блок данных от источника сообщений (ИС) поступает в кодирующее устройство (КУ), защищается каким-либо корректирующим кодом, запоминается в ЗУ1 и отправляется в прямой канал связи.

Передатчик на ст. А переходит в режим ожидания. Если в течение определенного времени по обратному каналу не поступает никаких сигналов или принимается сигнал не соответствующий ни одному из вариантов решения, передатчик посылает запрос на повторную передачу сигнала решения.

На ст. Б принимается очередной блок данных и расшифровывается декодирующим устройством (ДУ). Результат помещается в ЗУ2 и анализируется правильность принятого блока устройством обнаружения ошибок (УОО).

Если ошибок нет, то УОО дает команду ЗУ2 о выдаче хранимой информации получателю сообщения (ПС). Кроме того, дается команда датчику сигналов решения (ДСР) о формировании сигнала «Подтверждение» («да»).

В случае обнаружения ошибок информация в ЗУ2 стирается без выдачи ее получателю сообщения, а ДСР формирует сигнал «Запрос» («нет»).

Сигналы решения «да» или «нет» по обратному каналу связи поступают на анализатор сигнала решения (АСР) на ст. А.

Если поступил сигнал «Подтверждение», то через управляющее устройство (УУ) выдается команда на стирание информации в ЗУ1, а источник сообщений получает разрешение на ввод очередного блока.

Если получен сигнал «Запрос», то через УУ из ЗУ1 повторно посылается блок данных в прямой канал связи.

Число повторных передач в системах РОС ограничено и после отсчета определенного числа непрерывных повторений аппаратура передачи данных автоматически переходит в аварийный режим.

На временной диаграмме (рис. 38) показан прием без переспроса (комбинация 1) и прием после одного переспроса (комбинация 2).

Рис. 38 Временная диаграмма работы системы РОС-Ож

Системы с односторонней блокировкой принятых комбинаций (РОС-Бл)

Рис.39 Структурная схема односторонней системы с блокировкой

На рис. 39:

БЛ – блокиратор;

ДСК – дешифратор служебных комбинаций;

УУ1 и УУ2 – устройства управления;

ЗУ1 и ЗУ2 – запоминающие устройства;

ДУ– декодирующее устройство.

Рис.40 Временная диаграмма взаимодействия двух станций

Эту систему называют системой с возвращением на несколько комбинаций (N –кадров) назад.

Кодовые комбинации передаются непрерывно. В приемнике после обнаружения ошибки кодовой комбинации происходит блокировка кодов и передатчику посылается комбинация переспроса.

После приема такой комбинации передающая станция повторяет несколько комбинаций, так как приемник с момента блокировки прекращает прием информации. Если сигнал переспроса отсутствует, то информация принята верно.

В таких системах уменьшаются затраты времени на ожидание и возрастает скорость передачи информации.

При обнаружении в декодере ДУ ошибки на его выходе формируется сигнал «ошибка», который через устройства управления УУ поступает на блокиратор БЛ и накопитель приема ЗУ2. Прекращается прием кодовых комбинаций из канала. На передающую станцию посылается комбинация запроса, которая дешифрируется в ДСК и устройства управления (ст.А) переводят станцию в режим повторения информации.

Число повторяемых кодовых комбинаций (h) определяется из условия

и обычно равно четырем.

Системы с адресным исправлением ошибок (РОС-Ад)

Рис. 41 Структурная схема системы с адресным исправление ошибок

На рис. 41:

ЗУА – запоминающее устройство адресов;

КДА – кодер адресов;

ДА – дешифратор адресов;

ДУ –декодирующее устройство.

При частой необходимости повторении и большой длине кодовых комбинаций системы с ожиданием (РОС-ОЖ) и блокировкой (РОС-Бл) становятся малоэффективными.

При адресном исправлении ошибок (РОС-АД) передается большой блок кодовых комбинаций, который при приеме без ошибок заполняет соответствующие разряды накопителя приема (ЗУ2).

Комбинации принятые с ошибками стираются, а соответствующие разряды накопителя приема остаются незаполненными.

После приема всего блока комбинации по обратному каналу передаются адреса (номера кодовых комбинаций, принятых с ошибками).

Эту систему часто называют системой с выборочным (селективным) повторением (SR- Selective Repeat).

По сигналу от устройства управления УУ1 информация от источника сообщения ИС выдает в накопитель передачи ЗУ2 блок кодовых комбинаций, каждая из которых кодируется и вместе со служебной комбинацией начала сообщения передается по прямому каналу.

На приемной стороне с выхода декодирующего устройства ДУ информационные символы комбинаций, принятых без ошибок, в соответствии со своими номерами в блоке направляются в накопитель приема ЗУ2.

Комбинации с ошибками стираются, а их номера записываются в запоминающее устройство адресов (ЗУА) и передаются по обратному каналу.

Принятые по обратному каналу адреса декодируются в дешифраторе адресов (ДА). По сигналу ДА из накопителя передачи ЗУ1 повторно передаются неверно принятые комбинации.

После исправления кодовых комбинаций принятый блок выдается потребителю сообщений ПС, а передатчику посылается комбинация подтверждения приема, по которой источник сообщений ИС передает очередной блок в накопитель передачи ЗУ1.

2. Применение систем с информационной обратной связью (ИОС)

В системах с информационной обратной связью (ИОС) решение на повторение или выдачу в приемник сообщения (ПС) комбинации (блока) принимается на передатчике по результатам анализа переданной комбинации, а так же – по информации о комбинации, принятой приемником системы по каналу обратной связи.

В системах с ИОС по обратному каналу посылаются квитанции о принятом блоке. Это может быть сигнал, подтверждающий прием каждого блока (полная ИОС), либо сигнал, подтверждающий прием группы блоков (укороченная ИОС).

Одним из вариантов системы является ретрансляционная ИОС, в которой по обратному каналу от приемника передаются блоки информации, принятые по прямому каналу связи.

Рис. 42 Структурная схема ретрансляционной системы ИОС

На рис. 42: ДСС –датчик сигнала «стирание»;

АСС – анализатор сигнала «стирание»;

СрУ – сравнивающее устройство.

Алгоритм работы ретрансляционной системы ИОС

Блок информации поступает от источника сообщений (ИС), кодируется кодирующим устройством (КУ), посылается в прямой канал связи передатчиком ПрдП и запоминается в ЗУ1.

На ст. Б блок, принятый приемником ПрмП, помещается в запоминающее устройство ЗУ2 и возвращается в виде квитанции передатчиком ПрдО по обратному каналу связи на ст. А.

Принятый на ст. А приемником ПрмО, блок сравнивается с блоком, хранящимся в ЗУ1. Результаты сравнения получаются на выходе управляющего устройства (УУ).

Возможны две ситуации:

1. если блоки идентичны, то УУ выдает команды:

а) «блокировка» для датчика сигнала «стирание» ДСС;

б) «стереть информацию» для ЗУ1;

в) «продолжить ввод информации» для ИС.

2. если в блоках несовпадение, то УУ выдает команды:

а) «послать сигнал стирания» для ДСС;

б) «передать повторно хранимый блок» для ЗУ1;

в) «приостановить ввод информации» для ИС.

В прямой канал связи посылается сигнал «стирание», а за ним повторно посылается блок данных.

Если на ст. Б поступил блок без сигнала «стирание», то анализатор сигнала «стирание» (АСС) не срабатывает, при этом блок информации, хранимый в ЗУ2, выдается в декодирующее устройство (ДУ) и далее – получателю сообщения (ПС). В ЗУ2 будет записан очередной блок, и он же в виде квитанции отправится по обратному каналу связи на ст. А.

Пропускная способность прямого и обратного каналов связи должны быть одинаковыми.

В прямом канале не обязательно применять корректирующие коды.

Системы с ИОС нашли ограниченное применение из-за низкой эффективной скорости передачи.