Классификация методов повышения верности передачи

При передаче дискретных сообщений всегда возникают ошибки, обусловленные несовершенством систем ПДИ, систем коммутации (мультиплексирования), каналов связи и др. Причины их могут быть самые различные, но результат оказывается один - появляющиеся ошибки снижают верность принятых сообщений. В то же время высокая верность передачи – основное требование к системам ПДИ, и ее снижение недопустимо.

Конкретные значения верности передачи информации зависят от назначения информации. Пользователи систем ПДИ для многих технологических и прикладных процессов часто выдвигают требование к вероятности ошибки в принимаемых данных не хуже 10 ^-6-10 ^-12 на бит. В то же время в реальных каналах тональной частоты проводных многоканальных систем передачи вероятность ошибки на бит составляет 10 ^-3-10 ^-2, а в радиоканалах – 10^-3-10^-2, т.е. реальные каналы связи не удовлетворяют требованиям пользователей. Поэтому возникает необходимость в повышении верности передачи на два-три порядка, а иногда и более.

Снижение вероятности ошибки достигается улучшением качественных показателей линий и каналов связи, оконечного оборудования отправителей и получателей сообщений, каналообразующей аппаратуры и др., внесением избыточности и увеличением надежности.

Рис. 5.1

Качественные показатели каналов связи значительно улучшаются также при применении в каналообразующей аппаратуре помехоустойчивых методов модуляции, рациональных уровней передачи и приема сигналов, при стабилизации частоты генераторного оборудования, введении в аппаратуру амплитудно- и фазочастотных корректоров, электронных контактов и др. В оконечных приемных устройствах для повышения верности передачи используют помехоустойчивые виды демодуляции, совершенные методы регистрации сигналов и др.

Эффективным методом повышения верности является введение в системе передачи сигнальной, информационной и структурной (аппаратурной) избыточности. Сигнальная избыточность реализуется увеличением объема сигнала V = PΔFT, т.е. увеличением мощности сигнала Р, ширины его спектра ΔF и длительности Т. Однако возможности практической реализации данного метода довольно ограниченны. Мощность сигнала лимитирована обычно свойствами линий и каналов связи. При большой амплитуде сигнала, передаваемого по линии связи, возникает опасность недопустимых влияний на соседние цепи. При передаче же дискретных сигналов по каналам тональной частоты их мощность еще больше ограничивается из-за недопустимости перегрузки групповых модуляторов, усилителей и др.

Ширина спектра сигнала также ограничивается полосой пропускания линий и каналов связи. Увеличение длительности сигнала (единичных элементов кода) позволяет значительно снизить вероятность ошибки символа, однако достигнутое при этом повышение верности передачи приводит к значительному снижению скорости передачи информации, что недопустимо.

Информационная избыточность реализуется в помехоустойчивых (корректирующих) кодах, обнаруживающих и исправляющих ошибки. В помехоустойчивом (избыточном) n-символьном коде в отличие от простого k-символьного для передачи информации применяют не все множество кодовых комбинаций S ₀ = 2 ⁿ, а только его часть, образующую подмножество разрешенных комбинаций S = 2^k ( k < n ). Комбинации оставшегося подмножества S ₃ = S ₀ – S_p для передачи информации не используются и являются неразрешенными (запрещенными) для данного кода.

В простых кодах все комбинации являются разрешенными и ошибки любой кратности вызывают переход одной комбинации в другую, также разрешенную, т.е. используемую для передачи информации. Поэтому ошибки в простом коде всегда приводят к неправильному приему информации. В помехоустойчивых кодах вследствие того, что для передачи информации применяют только разрешенные комбинации S_p < S ₀ , возможно обнаруживать и исправлять ошибки.

Помехоустойчивые коды являются эффективным методом повышения верности передачи и находят широкое применение в современных системах ПДИ.

Структурная избыточность связана с введением в систему передачи дополнительных каналов и приборов, например использование нескольких параллельных каналов для передачи одной и той же информации по каждому каналу от передатчика к приемнику или одного дополнительного канала для передачи информации в обратном направлении — от приемника к передатчику. Системы передачи с каналом обратной связи позволяют контролировать вероятность ошибок в принимаемой информации и своевременно реагировать на условия передачи. Причем контролировать можно состояние непрерывного канала связи, дискретного и канала передачи данных.

На практике для повышения верности используют все перечисленные методы. Однако улучшение качественных показателей каналов связи и повышение их надежности связаны со значительными трудностями, в том числе и материальными затратами. Поэтому чаще верность передачи информации повышают использованием в системах ПДИ помехоустойчивых способов обнаружения и исправления ошибок и применением систем с обратной связью.

Системы без обратной связи. В таких системах информация передается только в одном направлении. Для повышения верности передачи используют в основном три способа: применение кодов, исправляющих ошибки (корректирующих кодов); многократную передачу кодовых комбинаций по одному каналу; одновременную передачу кодовых комбинаций по нескольким параллельным каналам связи.

Типовая схема алгоритма процесса передачи информации в системе без обратной связи приведена на рис. 5.2. Конкретные алгоритмы защиты от ошибок определяются выбранным методом избыточного кодирования информации.

Рис. 5.2

Применение корректирующего кода позволяет достичь практически любой верности передачи с соответствующим снижением относительной скорости передачи R_от = k/n, где k - число информационных символов, п - общее число символов кодовой комбинации корректирующего кода.

Для исправления пакетов ошибок, возникающих в каналах, необходимо, чтобы длина кодовых комбинаций значительно превышала длину пакетов ошибок. Это приводит к техническим трудностям при реализации кодеров и декодеров, так как их сложность зависит от длины кодовых комбинаций. Поэтому на практике системы однократной передачи корректирующим кодом получили небольшое применение только при работе автоматизированных систем управления в реальном масштабе времени, когда допустимая задержка поступления информации от источника к потребителю ограничена очень малым промежутком времени.

В системах многократной передачи верность повышается передачей кодовых комбинаций простого кода несколько раз подряд. Необходимое число передач зависит от числа исправляемых ошибок.

Для исправления однократных ошибок в системах, использующих для передачи информации простой код, проводится трехкратная передача кодовых комбинаций (γ = 3), а в приемнике применяется мажоритарная логика, реализующая функцию голосования (γ-1) из у, т.е. правильным считается тот знак (символ), который принят большее число раз (два или три одинаковых знака (символа) из трех передач). Вероятность неверного приема знака при этом составит примерно Р_ош = 3 k р². При увеличении числа повторений до пяти (γ = 5) вероятность неверного приема знака при мажоритарной логике (три и более одинаковых знаков из пяти приняты правильно) Р_ош=10 k ³ p ³.

Посимвольным сравнением принятых кодовых комбинаций можно достичь несколько большей верности по сравнению с позначным.

Повышение верности при многократном повторении кодовой комбинации достигается ценой значительного уменьшения скорости передачи. Для систем многократной передачи простым кодом относительная скорость передачи R = 1/γ, т.е. при трех- и пятикратной передачах скорость уменьшается соответственно в 3 и 5 раз. Поэтому системы многократной передачи простым кодом применяют относительно редко, как правило, в тех случаях, когда мажоритарное решение выполняет непосредственно ЭВМ.

Системы параллельной передачи информации отличаются от систем многократной передачи- тем, что у первых кодовые комбинации передаются одновременно по нескольким каналам, т.е. параллельно во времени, а у последних - по одному каналу несколько раз подряд, т.е. последовательно во времени. Число параллельных каналов γ для исправления одиночных ошибок равно трем, двукратных - пяти и т.д.

В простейших системах с исправлением однократных ошибок применяют три параллельных канала и информация передается простым кодом.

Системы параллельной передачи информации более надежны, так как выход из строя одного или даже двух из трех параллельных каналов не приводит к прекращению связи, будет уменьшаться только верность передачи. Недостаток систем с параллельной передачей - избыточное число каналов.

В системах ПДИ с односторонними каналами информация передается только в одном направлении - от передатчика к приемнику. В системах с обратной связью имеется еще возможность передавать информацию в обратном направлении - от приемника к передатчику. Для таких систем требуются двусторонние каналы (прямой и обратной связи).

Системы с обратной связью. В зависимости от назначения и способа использования обратного канала эти системы делят на три группы: с решающей (управляющей) (РОС), информационной (ИОС) и комбинированной (КОС) обратной связью.

В системах с РОС, называемых также системами с переспросом, или автоматическим запросом ошибок, решение о правильности или неправильности принятой информации выносится на приемной стороне, которая информирует передающую сторону о том, что необходимо передавать новую информацию или следует повторить прежнюю. Типовая схема процесса передачи с РОС приведена на рис. 5.3.

Если переданная информация принята без ошибок, то приемник выдает ее на печать или устройство ее отображения и по обратному каналу извещает об этом передатчик служебным сигналом подтверждения приема без ошибок. Если в принятой информации имеются ошибки, то приемник стирает ее и по обратному каналу посылает передатчику сигнал переспроса (запроса), по получении которого передатчик повторяет неверно принятую информацию. В системах с РОС информация и сигналы обратной связи передаются корректирующими кодами.

В системах с ИОС, называемых также системами со сравнением, или с обратной проверкой и повторением, приемник запоминает принятую информацию и посылкой по обратному каналу служебного сигнала обратной связи информирует передатчик о принятой информации. Передатчик анализирует сигнал обратной связи и принимает решение о верности передачи. Если передатчик принял решение, что информация, принятая приемником, не имеет ошибок, то он посылает приемнику служебный сигнал, подтверждающий это, и только после этого приемник выводит принятую информацию на печатающее (запоминающее) или другое устройство отображения информации, а передатчик продолжает дальнейшую передачу информации.

Рис.5.3

Если передатчик принял решение, что в принятой информации есть ошибка, то он посылает приемнику сигнал ошибки и затем повторяет передачу неверно принятой приемником информации. В приемнике информация, принятая перед сигналом ошибки, стирается. Таким образом, на печатающее (запоминающее) или другое устройство отображения выводится только информация, принятая без ошибок или с необнаруженными ошибками.

Сигналы обратной связи могут формироваться на каждую или несколько принятых кодовых комбинаций. Если каждой кодовой комбинации соответствует свой сигнал обратной связи, то ИОС называют полной, а если один сигнал обратной связи передается на несколько комбинаций, - то укороченной.

В системах с КОС используют корректирующие коды, и решение о верности переданной информации принимает как приемник, так и передатчик.

Системы передачи дискретной информации с обратной связью получили большее применение, чем в системах без обратной связи. Это объясняется тем, что информационная избыточность систем прямой многократной передачи и передачи по параллельным каналам больше избыточности систем с обратной связью. Кроме того, в системах без обратной связи передатчику неизвестно, принимает ли вообще приемник информацию или нет, а если принимает, то верно или неверно.

Системы с обратной связью не имеют этих недостатков, и каналы обратной связи, кроме передачи сигналов о принятой информации (подтверждения, переспроса), могут быть использованы для автоматического регулирования избыточности (верности) и скорости передачи информации в соответствии с конкретными условиями прохождения сигналов, т.е. системы ПДИ с обратной связью могут работать как адаптивные (самоприспосабливающиеся) системы. Это свойство систем с обратной связью используется в современных модемах.