Разработка системы защиты от ошибок в сетях передачи данных

 

      1.3.2 Телефонные каналы.

 

Телефонный  канал представляет наиболее распространенный тракт передачи дискретной информации; скорость передачи достигает 4,8 кБит/с по коммутируемым и 19,2 кбит/с по прямым арендованным каналам. Отличительные особенности телефонных каналов состоят в наличии полосовых фильтров с крутыми срезами, нескольких различных модемов и преобразователей спектра в одном тракте, значительной (до нескольких тысяч километров) протяженности ЛС, большом числе разъемных соединений и регулировок, доступных обслуживающему персоналу, многоканальности. Мешающие влияния в телефонных каналах весьма разнообразны. Причиной их помимо помех в ЛС служат кратковременные перерывы и скачки уровня, искажения формы импульса сигнала неравномерностью АЧХ канала, импульсные помехи, переходные влияния от других каналов. Искажения формы импульса проявляются в виде краевых искажений (смещений фронтов) и дроблений (смена полярности импульса). Краевые искажения без специальной фазовой коррекции могут достигать 50% и более. Дробления вызываются в основном работами, проводимыми обслуживающим персоналом; появляются дробления с частотой несколько дроблений в час.

      В телефонных каналах из-за  большой протяженности и многообразия  помех трудно получить вероятность ошибки менее 10^-3... 10^-4.

 

 

         1.4 Внутриаппаратные тракты.

 

       Значительную часть аппаратуры  современных систем дискретной  связи составляют устройства  обработки сигналов, среди которых все большую роль играют микроЭВМ (или микрокомпьютеры МК, или микропроцессоры МП). Микропроцессоры, использующие внешнюю магнитную память, содержат все виды внутриаппаратных трактов.    Поэтому анализ помех, возникающих в этих трактах, целесообразно вести на примере МП. В составе любой ЭВМ различают процессор, устройства оперативной (ОЗУ), постоянной (ПЗУ), внешней магнитной (ленты, диски) памяти, устройства ввода-вывода ((УВВ), шины информационного обмена (данных, адресов, управления). Во всех перечисленных устройствах и трактах возникают ошибки, приводящие к неверным результатам вычислений, сбою программы, излишним затратам машинного времени и нервов программиста и оператора.

        Наибольшая часть ошибок появляется  в УВВ, шинах, устройствах памяти. Устройство ввода-вывода так же, как и процессор, содержит значительное число элементов цифровой логики, в которых наблюдаются как случайные, так и систематические ошибки. Старение элементов, ухудшение качества электрических контактов, расфазировки сигналов на входах логических элементов вызывают систематические ошибки, которые (как и случайные ошибки) носят асимметричный характер на ограниченных временных интервалах. К случайным ошибкам приводят различные электромагнитные влияния, помехи в цепях питания. Шина информационного обмена представляет собой разновидность проводной (короткой кабельной) линии связи, основными источниками ошибок в которой являются внешние наводки и искажения формы импульсов сигнала, вызванные плохим согласованием линии.

           В ОЗУ и ПЗУ ошибки возникают  вследствие искажения адресов  записи-считывания, неисправности ячеек  памяти. Большинство локальных ошибок  в магнитных лентах имеет место  на одной дорожке, вдоль которой ошибки возникают преимущественно пакетами. Преобладают асимметричные ошибки типа пропадания единиц; по ширине ленты в основном наблюдаются одиночные ошибки. Вероятность ошибок может достигать значений 10^-5... 10^-6.

 

 

 

 

 

 

 

1.5   Общие   сведения о кодах  и системах кодированной связи

 

           Код есть форма представления  сообщения, не зависящая от  его физической сути. Это отличает  код от сигнала, который определяет  физическое представление сообщения  (и кода) в системе связи. Код  представляют совокупностью (кодовых) символов; помехоустойчивый код позволяет обнаруживать или исправлять ошибки в совокупности кодовых символов.

        Если сообщения обладают внутренними  корреляционными связями, т. е.  если одно сообщение некоторым образом зависит от другого, как это обычно бывает при передаче текстов на естественных языках, то помехоустойчивость любого кода может быть повышена за счет статистических связей между сообщениями. Если эти связи слабые, или неизвестны, или их нельзя использовать для повышения помехоустойчивости, то в этом случае форма представления сообщения должна быть избыточной; в частности, число символов в коде сообщения увеличивают, а между кодовыми символами вводят искусственные корреляционные связи. Поэтому в некоторых случаях помехоустойчивые коды называют избыточными. Введение избыточности в код позволяет помимо обнаружения и исправления ошибок повысить энергетическую эффективность линии связи, обузить частотный спектр передаваемого сигнала, сократить время вхождения в связь путем повышения помехозащищенности тракта синхронизации, улучшить корреляционные свойства ансамбля сигналов, простыми средствами реализовать разнесенный прием. Вид помехоустойчивого кода зависит от структуры системы связи, обобщенная схема которой приведена на рис. 1.1. Всюду рассматриваем системы связи, передающие только дискретные сообщения. В современных системах передачи дискретных сообщений последние поступают на вход системы, как правило, от нескольких источников.

       Даже если внешний источник  один, сама система связи содержит  источник сигналов служебной связи, телеуправления и телесигнализации (ТУ-ТС).    Скорость поступления сообщений от разных источников может быть как одинаковой, так и различной синхронной с собственной тактовой частотой аппаратуры связи или асинхронной с ней. Блок уплотнения (БУ) объединяет сообщения, поступающие от разных источников, в единую последовательность, как правило, двоичных символов с тактовой частотой, соответствующей скорости передачи системы связи.

 
 
 
 
                                              

Рисунок 1.3- Схема системы связи

 

 

  ИИ - источник информации; БУ - блок уплотнения сообщений; КДШ, КДВ - кодеры внешний, внутренний; ПРШ, ПРВ - перемежители внешний, внутренний; М - модулятор; ПД - передатчик; ЛС - линия связи; ПР - приемник; Д - демодулятор; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; БДС, БПС, БЛС - блоки додетекторного, последетекторного, логического сложения; ДПШ, ДПВ - деперемежители внешний, внутренний; ДКШ, ДКВ - декодер внешний, внутренний; БР-блок разуплотнения сообщений; ПИ-получатель информации; КОС - канал обратной связи

     Если скорости поступления сообщений  от источников асинхронны по  отношению к собственной тактовой частоте системы связи, БУ осуществляет асинхронный ввод сообщений. Для того чтобы при временном уплотнении различить сообщения на стороне приема, БУ формирует маркер, обозначающий место первого источника в общем цифровом потоке. Маркер повторяется периодически, образуя сигнал цикловой синхронизации. Кодер вводит избыточность в передаваемый поток двоичных символов, причем кодирование сообщений в зависимости от требуемой степени повышения помехоустойчивости может выполняться поэтапно и соответственно этапам различными кодерами. Первый после БУ кодер называют внешним (КДШ), последний - внутренним (КДВ). Сформированный кодером поток символов поступает в перемежитель. Во многих случаях ошибка в одном символе кода влечет за собой ошибки и в других смежных с ним символах той же последовательности, вызывая появление пакета ошибок на входе декодера, исправляющего ошибки. Если код рассчитан на исправление m ошибок на интервале из n смежных символов, а пакет ошибок вызывает больше чем m ложных символов, ошибка декодером не будет исправлена. Перемежитель разносит (во времени) смежные символы исходной кодовой последовательности более чем на n символов. При деперемежении на стороне приема разнесенные символы вновь собирают вместе; одновременно ошибки в пакете будут разнесены деперемежителем во времени более чем на n символов, и соответствующий деперемежителю декодер такие разнесенные ошибки сможет исправить.

         Перемеженная последовательность  кодированных символов поступает  в общем случае в несколько ветвей разнесения, каждая из которых содержит модулятор, передатчик, линию связи и приемник.

        В системах с линиями радиосвязи  для борьбы с замираниями и  узкополосными помехами, действующими в части частотного диапазона, применяют программную (или, как ее иногда называют, псевдослучайную) перестройку рабочих частот (ППРЧ); соответствующие устройства входят в состав передатчика и приемника.

        Сложение сигналов в разнесенных  ветвях на стороне приема может  производиться как на входе демодулятора (додетекторное сложение), так и на его выходе (последетекторное сложение). В частности, если сигналы в ветвях некогерентны, последетекторное сложение называют квадратичным. Сравнительно недавно в системах связи с кодированными сигналами стали применять логическое объединение ветвей разнесения, реализующее последетекторный автовыбор ветви с наименьшим числом ошибок. Демодулятор (Д) производит оптимальную обработку элемента сигнала, заканчивающуюся обычно интегрированием со сбросом интегратора в определенный тактовый момент времени. Тем самым демодулятор дискретизирует во времени смесь огибающей сигнала с шумом. Формирование тактовых импульсов осуществляют устройства тактовой синхронизации, входящие в состав демодулятора. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на выходе демодулятора дискретизирует (квантует) смесь огибающей сигнала с шумом по уровню. При квантовании на два уровня декодируется двоичный сигнал. Максимальное число уровней квантования, как правило, не превышает 16. Обычно число уровней равно 2, 4, 8 или 16.

          Декодер, работающий с двоичным сигналом, называют жестким, с недвоичным - мягким. Для работы декодера необходимы специфические (групповые) тактовые импульсы, формируемые в тракте групповой синхронизации, входящем в состав декодера. Назначение декодера состоит в уменьшении числа ошибок в сообщениях, выдаваемых системой связи, путем использования избыточности, заложенной в символьный поток кодером.

           Часть системы связи, включающая  линию (радио- или проводную), называется каналом. Часть системы от выхода модулятора до входа АЦП образует канал передачи-приема сигнала, непрерывного по уровню (но дискретного по времени). Часть системы от выхода модулятора до выхода АЦП образует канал с входным сигналом, непрерывным по уровню и времени, и с выходным дискретным сигналом. От входа модулятора до выхода АЦП имеем дискретный (по времени и уровню) канал. В двунаправленной системе связи обычно создают канал обратной связи, по которому осуществляют управление работой системы.

        Схема на рисунке 1.3 может видоизменяться  в зависимости от конкретной  реализации системы связи. В каналах действуют искажения сигналов, шумы, помехи, которые в дискретном канале проявляются в виде перехода одного значения символа в другое - ложное (событие, состоящее в появлении ошибки) или неиспользуемое (событие, которое называют стиранием). В зависимости от характера ошибок различают дискретные каналы:

-симметричный (все ложные значения символов  равновероятны),

-асимметричный  (некоторые ложные значения символов  обладают большей вероятностью),

-без  памяти (искажение символа не  зависит статистически от искажения  другого выходного символа),

-с  памятью (искажение символа выходной  последовательности зависит статистически от искажения другого символа той же последовательности),

-со  стираниями (наряду с ошибками  имеют место стирания символов).

Любой канал связи с ограниченными  полосой частот, временем передачи и динамическим диапазоном (значений амплитуд) обладает конечной пропускной способностью. Теоретически пропускная способность - это максимальное число переданных двоичных единиц (бит) в единицу времени при сколь угодно малой вероятности ошибок. Реально получаемое число передаваемых бит в единицу времени называют скоростью передачи. При неограниченно малой вероятности ошибок скорость передачи всегда меньше пропускной способности. В канале с ошибками максимальное значение скорости получают путем использования помехоустойчивого кодирования. Последнее требует введения избыточности в передаваемый сигнал: по времени, частоте или амплитуде. Если код согласован с каналом, т. е. код позволяет исправлять наиболее вероятные ошибки, введенная избыточность становится оправданной. Если код не согласован с каналом, ошибки могут быть не только не исправлены, но и размножены кодом. В этом случае применение помехоустойчивого кодирования принесет не пользу, а вред. Для согласования кода с каналом связи необходимо иметь максимальный объем сведений о возможных мешающих влияниях в каналах

 

 

         1.6 Помехоустойчивое кодирование

                         

           Среди методов защиты от ошибок  наибольшее распространение получило  помехоустойчивое кодирование, позволяющее  получить более высокие качественные показатели работы систем связи. Его основное назначение - принятие всех возможных мер для того, чтобы вероятность искажений информации была достаточно малой, несмотря на присутствие помех или сбоев в работе сети. Помехоустойчивое кодирование предполагает разработку корректирующих (помехоустойчивых) кодов, обнаруживающих и исправляющих определенного рода ошибки, а также построение и реализацию кодирующих и декодирующих устройств.

 

 

Рисунок 1.4 Классификация корректирующих кодов

 

Первый  классификационный признак –  коды бывают блочными или непрерывными. При блочном кодировании передаваемые двоичные сообщения представляют собой последовательности отдельных блоков – кодовых комбинаций, которыми кодируются знаки (или группы знаков) первичного алфавита. Из раздела 1 известно, что если все кодовые комбинации имеют одинаковую длину, код называется равномерным; если нет – неравномерным. При декодировании удобнее (проще) иметь дело с равномерным кодом, поэтому именно он используется в помехоустойчивом кодировании. Непрерывные (цепные) коды представляют собой непрерывную последовательность бит, не разделяемую на блоки (информационные и проверочные биты в них чередуются по определенному правилу).