Литературный обзор, состояние проблемы,

Постановка задач

Необходимо разработать алгоритмы работы, структурную схему СПИ и произвести оценку ее информационных характеристик. Система должна обеспечивать передачу данных с максимальной скоростью при минимальных информационных потерях и минимальных аппаратных затратах.

Вариант № 38

Исходные данные:

1 Информационный массив из символов русского алфавита:

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я

2 Множество символов а_i первичного алфавита А(а_i):

_ , . В Е И К Р У Х Ш Э Я Л

3 Тип помехоустойчивого кода:

Биномиальный, k=2

4 Вероятность искажения двоичного разряда р_э:

3*10^-3

5 Тип кода в линии связи при модуляции сигнала:

БВН-М

6 Скорость V_п передачи сообщений по линии связи:

Бод

7 Амплитуда сигнала h в линии связи:

8 Коэффициент δ, определяющий существенную часть спектра сигнала с энергетической точки зрения:

0,95

9 Тип канала связи - симметричный

10 Способ исправления ошибок - векторный переспрос

11 Тип алгоритма минимизации кодового отображения:

По вероятности необнаружения

ВВЕДЕНИЕ

Информация – не только сведения о свойствах объектов и процессов, но и обмен этими сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом, обмен сигналами в животном и растительном мире, передача признаков от клетки к клетке, от организма к организму. Под информацией нужно понимать не сами объекты и процессы, или их свойства, а представляющие характеристики предметов и процессов, их отражение или отображение в виде чисел, формул, описаний, чертежей, символов, образов и других абстрактных характеристик.

Информационная наука находит применение в самых разнообразных областях. В связи с этим нет всеобщего для всех наук классического определения понятия “информация”. В каждом направлении используют определение ее отдельных составляющих, наиболее важных для данной науки. Для теории систем информация выступает как мера организации системы. Для теории познания важно, что информация изменяет наши знания. Под информацией понимают не все получаемые сведения, а только те, которые еще не известны и являются новыми для получателя, В этом случае информация является мерой устранения неопределенности. Для машинной обработки информация должна быть представлена в виде сообщений на определенном языке. Специалистам связи важно, что информация-это сведения, являющиеся объектом передачи и обработки.

Развитие техники передачи информации связано с развитием теории передачи сигналов, поскольку информация непосредственно не передается, а для целей передачи преобразуется в сигналы.

Введение способа измерения количества информации К. Шенноном в конце 40-х годов привело к формированию самостоятельного научного направления под названием “Теория информации”. Параллельно на основе работ В.А. Котельникова развивалось другое научное направление - теория помехоустойчивости.

Теория информации решала задачу максимизации средней скорости передачи. Главной задачей теории помехоустойчивости является отыскание таких способов передачи и приема, при которых обеспечивалась бы наивысшая достоверность принятого сообщения. Обе задачи являются, по сути различными сторонами одного и того же процесса обработки информации при ее передаче и приеме.

В 1946 и 1956 гг. В.А. Котельниковым были опубликованы работы по оптимальным методам приема и потенциальной помехоустойчивости. Использование результатов этих работ дало возможность судить о том, насколько данная конкретная аппаратура близка к идеальной по своей способности выделять сигнал из смеси его с помехами.

Первой серьезной работой по теории передачи информации следует считать труд Р.Хартли “Передача информации”, изданный в 1928г. Немало важное значение для теории передачи дискретных сигналов имела работа Найквиста “Некоторые факторы, воздействующие на скорость телеграфирования” (1924г.).

Существенным шагом в становлении новой теории передачи информации явилась “Математическая теория связи” К.Шеннона. В этой работе доказана теорема о пропускной способности канала связи. Оказалось, что при скоростях передачи, меньших пропускной способности канала, существуют методы передачи (кодирования) и приема (декодирования), позволяющие восстановить передаваемый сигнал со сколь угодно малой вероятностью ошибки, несмотря на наличие помех.

Работы В.А. Котельникова и К. Шеннона создали фундамент теории передачи сигналов, которая получила дальнейшее развитие благодаря работам многих ученых по отдельным ее разделам.

Литературный обзор, состояние проблемы,

Постановка задачи

Использование информации потребителем связано с её транспортировкой от источника. Транспортировка всегда осуществляется в пространстве и во времени. Вообще, с передачей и обработкой информации связаны действия любого автоматического устройства, поведение живого существа, творческая деятельность человека, экономические и социальные преобразования в обществе и сама жизнь. Науку в целом можно рассматривать как сложную, развивающуюся информационную систему, созданную человеком.

Системы передачи информации (СПИ) предполагают наличие источника информации, передающего устройства, линии связи, приёмного устройства и получателя.

Рис.1.1. Структурная схема СПИ

Структурная схема такой системы показана на рис. 1.1.

Сообщение поступает от источника информации (ИИ) в первичный преобразователь (ПП). С помощью первичного преобразователя сообщение, которое может иметь любую физическую природу (например, звуковое колебание, изображение), преобразуется в первичный сигнал, для технических устройств обычно в электрический сигнал. Для преобразования первичного сигнала к виду, пригодному для использования в линии связи, предназначается передающее устройство. В передающем устройстве осуществляется кодирование информации и воздействие на один или несколько параметров носителя по закону, принятому при кодировании сообщений. Эти функции возложены на кодер (К) и модулятор (М) соответственно. После этого сигнал поступает в линию связи (ЛС), где он подвергается воздействию помех. Под помехами подразумевают любые мешающие внешние возмущения или воздействия (атмосферные помехи, влияния посторонних источников сигналов), а также искажения сигналов в самой аппаратуре (аппаратурные помехи), вызывающие случайное отклонение принятого сообщения сигнала от передаваемого.

На приёмной стороне осуществляется восстановление по принятому сигналу переданного сообщения. При этом вначале производится демодуляция сигнала в демодуляторе (ДМ), в результате которой восстанавливается первичный сигнал.

Вследствие различных искажений и воздействия помех принятый сигнал может существенно отличаться от переданного. Поэтому производится обработка принятого сигнала с целью наиболее полного извлечения из него информации. Эти функции выполняются решающим устройством (РУ). Процедуры обработки сигнала весьма разнообразны. Они могут сводиться к фильтрации сигналов, ограничению, интегрированию (или дифференцированию), перемножению сигналов, сложению и т. п.

После обработки производится декодирование сигнала, т. е. преобразование его в сообщение, поступающее к получателю информации (ПИ). При этом сигнал должен быть преобразован к виду, удобному для восприятия получателем. Эти функции выполняются декодером (ДК).

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.

Совокупность устройств, обеспечивающих независимую передачу сигналов разных источников сообщений по одной линии связи, называется каналом связи.

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 V_c. Если ёмкость канала это допускает, могут быть приняты меры, повышающие надёжность передачи. Отметим некоторые из них.

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

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 T_c, либо частоту передачи символов кода, что приводит к расширению спектра сигнала F_c.

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

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

5. 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 возможность использовать помехоустойчивые методы передачи, либо в связи с различием характеристик этих каналов (приёмно-передающих устройств).

Это обстоятельство позволяет повысить надёжность прямой передачи. По каналу обратной связи может передаваться либо весь объём принимаемой информации с целью контроля работы прямого канала и принятия мер по повышению достоверности передачи, либо только информация о сомнительных сигналах, которые требуется повторить. В последнем случае на приёмной стороне включается решающее устройство, дающее заключение о том, какой сигнал был передан. Если уверенность в переданном сигнале достаточно велика, обратный сигнал не посылается, если же уверенность недостаточна, делается запрос на повторную передачу. Работа такой системы напоминает телефонный разговор, когда абонент переспрашивает неясные слова или фразы, в то время как работу системы первого типа можно сравнить с разговором, когда слушающий повторяет все без исключения фразы, а сообщающий делает заключение о качестве работы линии и степени восприятия. Системы передачи первого типа называются системами с информационной обратной связью, системы второго типа — системами с решающей обратной связью (РОС) или системами с переспросом. Повышение помехоустойчивости связано в данном случае с увеличением оборудования (два канала вместо одного) и с увеличением времени передачи T_c.

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.

3. 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.

4. 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.

Рис.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 P_oo, 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 P_э.

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

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;

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;

СПИ – система передачи информации;