Разработка системы защиты от ошибок в сетях передачи данных

 

Содержание

 

Введение    ………………………………………………….. 3                                                                      

1. Обследование………………………………………………...4

1.1 Актуальность разработки  системы защиты от ошибок в  сетях 

       передачи данных. ………………………………………………………3

1.2 Негативные  влияния в каналах  связи………………………………….5

1.3 Проводные Линии связи………………………………………………...8

1.3.2 Телефонные каналы…………………………………………………..10

1.4 Внутриаппаратные тракты……………………………………………..10

1.5 Общие   сведения о кодах  и системах кодированной связи………….12

1.6 Помехоустойчивое кодирование……………………………………….17

1.7 Применение помехоустойчивых кодов в системах

  железнодорожной автоматики, телемеханики  и связи…………………...19

2  Постановка задачи………………………………………………………..24

2.1 Построение систематических кодов и их свойства…………………...24

2.2 Кодер и декодер систематического кода………………………………28

2.3 Каноническая форма систематических кодов…………………………30

2.3.1 Обоснование выбора микроконтроллера 16F84……………………..34

2.3.2 Выбор среды проектирования и  реализация кодера………………...36

2.3.3  Реализация   декодера………………………………………………...43

2.4    Вывод…………………………………………………………………..44

3.1 Реализация устройства  на микроконтроллере PIC16F84…………….44

3.2 Практическая схема реализации………………………………………..45

3.3 Пример применения устройства  в информационной системе………..46

 

 

 

4 Безопасность и экологичность  проекта

4.1 Электробезопасность в локальных  вычислительных сетях…………...47

4.2.Действие  электрического тока на организм  человека. ………………..47

4.3 Требования к электроинструменту, ручным электрическим 

         машинам и ручным электрическим светильникам…………………..49

4.4 Защита от опасных и мешающих  напряжений и токов………………..55

4.5 Электропитание и заземление  активного сетевого оборудования……57

4.6 Общие требования к оборудованию……………………………………58

4.7 Требования к помещениям с ПЭВМ……………………………………60

4.8 Требования к применению средств  защиты ……………………………61

5 Экономическое обоснование необходимости разработки…………….....64

5.1 Характеристика программного продукта………………………………..64

5.2 Определение затрат труда на  разработку системы……………………...65

      Заключение………………………………………………………………...70

      Приложение А……………………………………………………………..71

      Приложение Б……………………………………………………………..74

      Список литературы………………………………………………………..85

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение 

 

       В дипломном проекте рассмотрен  проект создания системы защиты  от ошибок  в сетях передачи  информации. В дипломном проекте  разработан помехоустойчивый систематический  код для реализации в устройстве  на базе микроконтроллера .

    В описанной работе представлены  основные методы помехоустойчивого

кодирования информации. Программно реализован алгоритм  кодирования систематического кода. Предложено устройство на базе микроконтроллера

способного  кодировать и декодировать данный алгоритм. Предложена  система  с использованием данного устройства для передачи данных .

     Дипломный  проект состоит из пяти частей. В первой части подробно описана  теория помехоустойчивого кодирования,  классификация и существующие  подходы  в применении   помехоустойчивого  кода.

Вторая  часть посвящена описанию алгоритма  систематического кода использованного  в данной дипломной работе.

       В третьей части  представлена  разработка программы для кодера  и декодера в среде MPLAB .Также представлено обоснование выбора микроконтроллера и его реализация в устройстве.

       Четвертая часть  дипломной  работы посвящена проблемам электробезопасности  и охране труда при создании  и эксплуатации реализованного  устройства в системе. 

В пятой части рассчитываются  затраты  труда на релизацию данного проекта

 

 

 

 

 

 

1 Обследование

 

 

1.1 Актуальность разработки  системы защиты от ошибок в  сетях 

     передачи данных.

 

    Передача информации в сетях  передачи данных ведется в  условиях воздействия сильных  и разнообразных помех. Поэтому  системы связи передачи данных  должны обладать высокой помехоустойчивостью. 

     Одним из способов повышения   помехоустойчивости системы является  помехоустойчивое кодирование информации.

     Так как развитие кодов, контролирующих  ошибки, первоначально стимулировалось  задачами связи, терминология  теории кодирования проистекает  из теории связи. Приложения  к задачам связи носят самый  различный характер и поскольку  электромагнитный спектр все  больше и больше заполняется создаваемым человеком сигналами, коды, контролирующие ошибки, становятся еще более важным инструментом, так как позволяют линиям связи надежно работать при наличии интерференции.

    Во многих системах связи имеется  ограничение на передаваемую  мощность. Коды могут быть использованы  для получения надежной связи даже тогда, когда мощность принимаемого сигнала крайне низка.  Например, в системах ретрансляции через спутники увеличение мощности обходится очень дорого. Коды, контролирующие ошибки, являются замечательным средством снижения необходимой мощности, так как с их помощью можно правильно восстановить полученные ослабленные сообщения. Передача в вычислительных системах обычно чувствительна даже к очень малой доле ошибок, так как одиночная ошибка может нарушить программу вычисления. Кодирование, контролирующее ошибки, становится в этих приложениях весьма важным. Для некоторых носителей вычислительной памяти использование кодов, контролирующих ошибки, позволяет добиться более плотной упаковки битов. Другим типом систем связи является система с многими пользователями и разделением по времени, в которой каждому из данного числа пользователей заранее предписаны некоторые временные окна (интервалы), в которых ему разрешается передача. Длинные двоичные сообщения разделяются на пакеты, и один пакет передается в отведенное временное окно. Из-за нарушения синхронизации или дисциплины обслуживания некоторые пакеты могут быть утеряны. Подходящие коды, контролирующие ошибки, защищают от таких потерь, так как утерянные пакеты можно восстановить по известным пакетам.

     Связь важна также внутри одной  системы. В современных сложных  цифровых системах возникают  большие потоки данных между  подсистемами. Цифровые системы  управления процессами, цифровые  переключательные системы и цифровые  системы обработки радарных сигналов - все это системы, содержащие большие массивы цифровых данных, которые должны быть распределены между многими взаимно связанными подсистемами. Эти данные должны быть переданы или по специально предназначенным для этого линиям, или посредством более сложных систем с шинами передачи данных и с разделением по времени.             В любом случае важную роль играют методы кодирования, контролирующего ошибки, так как они позволяют гарантировать соответствующие характеристики.

 

 

1.2 Негативные  влияния в каналах  связи

 

    Мешающие влияния разделяют на  шумы, помехи, замирания, искажения,  ошибки рисунок 1.1 .Обычно шумы  имеют естественное происхождение;  наиболее существенное влияние оказывает собственный шум приемника. Помехи могут быть также естественного происхождения (грозовые разряды, индустриальные помехи, влияние соседних радиосредств) и преднамеренные. Все разнообразие помех можно свести к шести основным типам: шумовым, импульсным, узкополосным (в пределе-синусоидальным), внутрисистемным, ретранслированным, имитационным. Шумовую помеху представляют в виде внешнего флуктуационного шума, увеличивающего интенсивность шума приемника.[ Теория передачи сигналов ]

        Импульсные помехи (ИП) действуют  в течение ограниченного времени;  в зависимости от формы импульса различают шумовые (ограниченный во времени шум), видео- и синусоидальные (узкополосные) ИП. Импульс помехи может быть одиночным, однако чаще воздействует пакет ИП, который поражает элементы сигнала, искажая его временные характеристики.

Узкополосная  помеха накрывает часть спектра  передаваемого сигнала, искажая спектр и ухудшая как спектральные, так и корреляционные свойства сигнала.

        Внутрисистемные помехи характерны  для асинхронно-адресных систем  связи, работающих в одной полосе частот с различением станций по форме адресных сигналов (кодов). Возникают помехи главным образом за счет неидеальности  взаимокорреляционных функций адресных кодов.

Ретранслированная помеха создается в результате усиления и переизлучения переданного  сигнала одной-двумя соседними  станциями. Переизлученный и задержанный сигнал, попадая в приемник истинной станции, создает специфическую помеху, воздействующую тем сильнее, чем хуже корреляционные свойства передаваемых сигналов. Имитационная помеха (ИМП) близка по форме переданному сигналу; степень близости определяется числом передаваемых сигналов и их корреляционными свойствами. Часто ИМП называют также структурной или прицельной помехой. Название "прицельная помеха" становится оправданным при совпадении в приемнике фазы или средней частоты ИМП с фазой переданного сигнала или со средней частотой одного или нескольких частотных подканалов. В последнем случае помеху иногда называют сосредоточенной. В наземных радиолиниях причинами замираний, составляющих основную часть мешающих влияний естественного происхождения, служат многолучевость, метеоусловия, время года. Многолучевость вызывает быстрые замирания, метеоусловия и время года - медленные. Частотную селективность замираний определяют по снижению коэффициента частотной корреляции до значения 0,5 ... 0,6. Интервал частот, лежащий в пределах 1...0,5, называют полосой (интервалом) когерентности канала связи.

 
 
                                      

             Рисунок 1.1-Классификация мешающих влияний в линии связи

      Искажения сигнала могут вызываться  как характеристиками тракта  передачи, так и помехами. Однако понятие искажения обычно связывают только с влиянием на сигнал линейных и нелинейных характеристик тракта. Воздействие линейных характеристик, и в частности неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), приводит к появлению межсимвольных искажений (МСИ); ограничение амплитуды сигнала вызывает появление нежелательных частот в спектре, создающих помехи нелинейных переходов. Ошибки фиксируются на выходе дискретного канала: именно они определяют верность информации. Деление ошибок на независимые и пакетные вызвано главным образом спецификой помехоустойчивого кода, его способностью исправлять или обнаруживать ошибки.

        В различных линиях связи мешающие  влияния даже одного вида имеют  разные параметры распределения.  Эту особенность необходимо учитывать при выборе помехоустойчивого кода. В системах связи наиболее широко используют:

проводные линии связи - воздушные, магистральные  кабельные (симметричные и коаксиальные), внутригородские кабельные, а также высоковольтные линии электропередач;

радиотракты-радиорелейные  прямой видимости (РРЛ), тропосферные (ТРЛ), космические (через ИСЗ и с  дальними космическими кораблями), магистральные  коротковолновые (KB) ЛС, а также линии  радиосвязи с наземными подвижными объектами (РЛП);

телефонные  каналы различной протяженности, прямые и коммутируемые, организованные на ЛС различного типа;

внутриаппаратные  тракты магнитной записи-считывания и шины информационного обмена в ЭВМ.

 

 

    1.3.1 Проводные Линии связи

 

     Проводные (и особенно кабельные)  ЛС в наибольшей степени защищены от влияния помех. Тем не менее в воздушных ЛС необходимо считаться с атмосферными явлениями: грозовыми разрядами, инеем, изморозью, гололедом, наводками от внешних источников помех. Грозовой разряд проявляется в виде импульсов помехи с фронтом в несколько микросекунд, длительностью полуспада в десятки микросекунд. Иней, изморозь и гололед, оседая на проводах, приводят к значительному увеличению затухания на длительное время. Например, при длине усилительного участка 35 км на линии из медных проводов затухание на частоте 100 кГц увеличивается при толщине изморози 25 мм в 6 раз, а при гололеде 20 мм-в 12 раз. Сильные импульсные помехи могут создавать электрифицированные железные дороги и высоко-вольтные линии электропередачи.

     

1.3.2 Кабельные линии связи

 

       В кабельных линиях связи следует  считаться главным образом с  импульсными помехами, переходными влияниями и межсимвольными искажениями. Основной причиной ИП в магистральных кабельных линиях являются удары молнии в участки поверхности земли, расположенные в непосредственной близости от кабельной траншеи. Помеховые импульсы имеют примерно те же характеристики, что и в воздушных ЛС. Городские телефонные кабели обладают гораздо большей интенсивностью помех, источником которых служат переходные влияния других цепей кабеля, помехи от различных внешних источников: электрифицированного транспорта, плохо заземленных электроустановок, коммутационных устройств АТС.

         В системах цифровой связи сигналы по кабельным ЛС передают преимущественно видеоимпульсами. Нелинейность АЧХ кабеля искажает форму импульсов сигнала, ухудшая отношение сигнал-шум. С учетом симметрирующих трансформаторов, не пропускающих постоянную составляющую сигнала (в симметричных кабелях), нелинейность АЧХ в наибольшей степени воздействует на низкочастотные составляющие спектра сигнала. Чаще всего по кабелям передачу дискретных сообщений ведут сигналами с пассивной паузой (символ нуля не передается). Ошибки пауз и посылок после приема оказываются неравновероятными, причем разница может достигать нескольких порядков, делая канал существенно асимметричным. Значительная асимметрия ошибок характерна для оптико-волоконных ЛС.