Лекции по «Основы передачи данных»

Системы с ОС подразделяют также на системы с ограниченным числом повторений и с неограниченным числом повторений. В системах с ограниченным числом повторений каждая кодовая комбинация может повториться не более L раз, и в системах с не ограниченным числом повторений передача комбинаций повторяется до тех пор, пока приемник или передатчик не примет решение о выдаче этой комбинации потребителю. При ограниченном числе повторений вероятность выдачи получателю неправильной комбинации больше, но зато меньше потери времени на передачу и проще реализация аппаратуры. Заметим, что в системах с ОС время передачи сообщения не остается постоянным и зависит от состояния канала.Системы с ОС могут отбрасывать либо использовать информацию, содержащуюся в забракованных кодовых комбинациях, с целью принятия более правильного решения. Системы первого типа получили название систем без памяти, а второго – систем с памятью. Обратной связью могут быть охвачены различные части системы:

1. канал связи, при этом по каналу ОС передаются сведения о принимаемом сигнале до принятия какого-либо решения;
2. дискретный канал, при этом по каналу ОС передаются решения, принятые первой решающей схемой РС на основе анализа единичных элементов сигнала;
3. канал передачи данных, при этом по каналу ОС передаются решения, принятые второй решающей схемой РС на основе анализа кодовых комбинаций.

Рис. 14.3. Обратная связь в системе ПДС.          

В первом случае для контроля канала связи используют устройства типа детектора качества, которые анализируют те или иные параметры принимаемого сигнала (амплитуду, частоту, длительность) или уровень помех. При этом по каналу ОС могут передаваться команды на изменения параметров передаваемых сигналов: мощности, спектрального состава, темпа передачи, избыточности кода и т. п. На передающей стороне должны быть предусмотрены соответствующие органы воздействия на источники сигналов: регуляторы мощности, корректоры, кодопреобразователи, управляемые сигналами, поступающими по каналам ОС.          

Во втором случае в качестве анализатора также обычно используют детекторы качества, контролирующие амплитуду, или краевые искажения сигнала после демодуляции, или и то, и другое.         

В третьем случае анализатором служит сам декодер канала, принимающий решение о наличии или отсутствии ошибок в принятых кодовых комбинациях. Из изложенного следует, что системы с ОС являются адаптивными: темп передачи информации по каналам связи автоматически приводится в соответствие с конкретными условиями прохождения сигналов. 
Наличие ошибок в каналах ос приводит к тому, что в системах с РОС возникают специфические потери верности, состоящие в появлении лишних кодовых комбинаций вставок и пропадания кодовых комбинаций выпадений. Вставки получаются в тех случаях, когда приемник посылает сигнал решения о правильности принятой кодовой комбинации, а в канале ос он трансформируется в сигнал переспроса. В этом случае передатчик повторяет предыдущую кодовую комбинацию, а приемник воспринимает ее как следующую, т. е. потребителю одна и та же кодовая комбинация выдается дважды. Выпадения получаются тогда, когда выработанный приемником сигнал переспроса в канале ОС трансформируется в сигнал подтверждения правильности приема. В этом случае передатчик передает следующую кодовую комбинацию, а предыдущая стирается приемником и к получателю не поступает.           

В системах ИОС также возможны потери верности за счет ошибок в каналах ОС. В укороченных ИОС такие ошибки возникают по причинам, аналогичным вышеизложенным, когда квитанция, соответствующая искаженному сигналу в канале ОС, трансформируется в квитанцию, соответствующую неискаженному сигналу. В результате передатчик не в состоянии обнаружить факт ошибочного приема. В полных ИОС в канале ОС возможны искажения, полностью компенсирующие искажения в прямом канале, в результате чего ошибки не могут быть обнаружены. Поэтому вопросам образования каналов ОС в системах ПДС уделяется очень большое внимание. Каналы ОС обычно образуются в каналах обратного направления связи с помощью методов частотного или временного разделения от каналов передачи полезной ин формации. Методы ЧРК используют обычно в системах со сравнительно небольшой удельной скоростью передачи, например, при передаче данных со скоростью 600... 1200 бит/с по каналам ТЧ. Во многих системах с РОС применяется структурный метод раз деления, когда для сигнала переспроса используется специальная кодовая комбинация, а любая разрешенная кодовая комбинация в приемнике дешифруется как сигнал подтверждения и любая не разрешенная комбинация - как сигнал переспроса. Для защиты от искаженных сигналов, передаваемых по каналам ОС, применяют те же способы, что и для повышения верности полезной ин формации: корректирующие коды, многократную и параллельную передачи.          

В настоящее время известны многочисленные алгоритмы работы систем с ОС. Наиболее распространенными среди них являются системы: с РОС с ожиданием сигнала ОС; с безадресным повторением и блокировкой приемника и с адресным повторением.        

Системы с ожиданием после передачи кодовой комбинации либо ожидают сигнал обратной связи, либо передают ту же кодовую комбинацию, но передачу следующей кодовой комбинации начинают только после получения подтверждения по ранее переданной комбинации. 
         Системы с блокировкой осуществляют передачу непрерывной последовательности кодовых комбинаций при отсутствии сигналов ос по предшествующим S комбинациям. После обнаружения ошибок в (S+1)-й комбинации выход системы блокируется на время приема S комбинаций, в запоминающем устройстве приемника системы ПДС стираются S ранее принятых комбинаций, и посылается сигнал переспроса. Передатчик повторяет передачу S последних переданных кодовых комбинаций. 
        Системы с адресным повторением отличает то, что кодовые комбинации с ошибками отмечаются условными номерами, в соответствии с которыми передатчик производит повторную пере дачу только этих комбинаций. 
        В системе с РОС по прямому каналу передаются информационные комбинации длиной n единичных элементов и команды решения, а по каналу обратной связи - служебные комбинации. В системе с ИОС по прямому каналу передаются информационные комбинации длиной k единичных элементов и команды решения, а по каналу ОС проверочные комбинации длиной n-k единичных элементов. При n-k<k система с РОС подобна системе с укороченной ОС, при n-k=k -системе ИОС с полной ОС, нередко при сравнении систем с РОС и ИОС игнорируется это обстоятельство и сопоставляются системы с РОС при n-k<<k с системой с полной (ретрансляционной) ОС. В результате сравнения несопоставимых систем делается вывод о том, что скорость передачи в системе с РОС указанного типа вдвое выше, чем в рассмотренной системе с ИОС. При сравнении сопоставимых систем с РОС и ИОС выводы получаются иные. Выберем в качестве объектов сравнения системы с РОС и ИОС, использующие помехоустойчивый код (n, k). Если каналы прямого и обратного направлений передачи одинаковы и ошибки в них независимы, то вероятности одинаковой трансформации проверочных разрядов в обоих каналах одинаковы. Поэтому обнаруживающая способность кода не зависит от того, где происходит сравнение проверочных разрядов: на передающей (в системе с ИОС) или на приемной (в системе с РОС) стороне системы. Следовательно, при равной помехозащищенности прямого и обратного каналов и при условии безошибочной передачи служебных сигналов системы с ИОС и РОС обеспечивают одинаковую верность передачи. Отсюда следует, что и среднее число повторных передач (переспросов) в обеих системах совпадает.          

Средняя скорость передачи сообщений по прямому каналу в системах с РОС меньше, чем в системах с ИОС, поскольку в первых с каждым сообщением длиной k дополнительно передается еще n-k проверочных единичных элементов. В системах с ИОС эти проверочные элементы передаются по обратному каналу. Если помехоустойчивость обратного канала выше, чем прямого, то верность передачи в системах с ИОС также выше, чем в системах с РОС. Такое положение может иметь место, например, при передаче информации с искусственного спутника Земли (ИСЗ) на землю, когда обратный канал может быть организован с помощью мощного передатчика и высокоэффективной антенны. В случае группирующихся ошибок в системах с ИОС часто возникает естественная (за счет разноса во времени передачи по прямому и обратному каналам) декорреляция ошибок в прямом и обратном каналах. В системах с ос информационные и проверочные разряды передаются слитно и такая декорреляция отсутствует.        

Верность передаваемой информации в обоих типах рассматриваемых систем в значительной степени определяется свойства ми выбранного кода, обнаруживающего ошибки. При пакетном распределении ошибок верность определяется не только свойствами кода, но и временем блокировки. Объясняется это тем, что приемник, обнаруживая первую ошибку пакета, блокируется на S кодовых комбинаций, благодаря чему часть ошибок этого пакета им не воспринимается. Таким образом, увеличение емкости накопителя передатчика приводит к некоторому увеличению верности передачи. Однако при этом снижается пропускная способность системы, так как при запросе приемник блокируется на большее время. Невыгодны и короткие кодовые комбинации, поскольку для обеспечения заданных корректирующих свойств отношение k/n в них меньше, чем в длинных кодовых комбинациях, т. е. больше относительная избыточность. Поэтому существуют оптимальные значения длин кодов, которые для каналов с определенными характеристиками и заданными скоростями модуляции обеспечивают максимальную скорость передачи информации. 
         Исследования показали, что при заданной верности передачи оптимальная длина кода в системах с ИОС несколько меньше, чем в системах с РОС, что удешевляет реализацию устройств кодирования и декодирования. Однако общая сложность реализации систем с ИОС больше, чем систем с РОС. Поэтому системы с РОС нашли более широкое применение. Системы с ИОС применяют в тех случаях, когда обратный канал может быть без ущерба для других целей эффективно использован для передачи квитанций.

Лекция 15. Сравнение систем с обратной связи

Система с РОС и ожиданием решающего сигнала (РОС-ОЖ).

Структурная схема РОС-ОЖ представлена на рис. 15.1, алгоритм работы - на рис. 15.2. Работает система следующим образом. По сигналу управляющего устройства передатчика УУпер прямого канала ПКпер, источнику сообщений ИС посылается сигнал готовности аппаратуры к передаче данных (А1). По этому сигналу ИС выдает одну очередную комбинацию сообщения, которая поступает в кодер и накопитель передачи Нпер передатчика ПКпер (А2). Накопитель Нпер служит для запоминания одной передаваемой комбинации с целью возможности ее повторения, если придет сигнал "Переспрос" по обратному каналу. Кодер в процессе кодирования добавляет к передаваемым информационным разрядам проверочные разряды, полученные по законам формирования разрешенных комбинаций применяемого кода, на пример циклического (АЗ). Пройдя через УПСперПКпер дискретные сигналы приобретают вид, удобный для передачи по используемому каналу связи. Если последний является каналом ТЧ, то сигнал на выходе УПС имеет вид модулированного колебания (А4). В приемнике прямого канала ПКпер сигнал после обратного преобразования в УПС появится через соответствующее время распространения. Информационная часть комбинации записывается в Нпр, прямого канала (А5) и одновременно эта комбинация поступает в декодер приемника прямого канала, с помощью которого производится обнаружение ошибок. Решающее устройство РУ выдает решение о качестве принятой комбинации на УУпр. Через tан устройство УУ прямого канала выдает команды в и формирователь сигнала обратной связи ФСОС передатчика обратного канала ОКпер. Если ошибка не обнаружена, то формируется сигнал "Подтверждение" в обратном канале и выдается команда, по которой информация из Нпр поступает потребителю ПС (А7, А8), для наглядности графики сигналов, относящихся к разным частям системы (относительно ст. А и Б), разнесены на рис. 15.3. Пройдя по обратному каналу за время tрос сигнал подтверждения распознается дешифратором сигнала обратной связи ДСОС на ст. А (А1О... А12). С помощью УУпер через время анализа сигнала обратной связи а от ИС запрашивается очередная комбинация и цикл передачи повторяется (информация в Нпер и Нпр в этом случае автоматически стирается при поступлении новой порции (А1З...А14))

Рис. 15.1. Структурная схема системы ПД с РОС-ОЖ.

Рис 15.2. Граф-схема алгоритма работы системы ПДС с РОС-ОЖ:

A1-запрос очередной комбинации (ЗОК) от ИС; А2-запись очередной  комбинации (информационной части) в Нпер: А3 - кодирование; А4 - передача  по ПК; А5 - прием из ПК; А6 - декодирование  и запись принятой комбинации (информационной части) в Нпр, А7 - выдача комбинации из Нпр, ПС; А8 - формирование сигнала подтверждения; А9 - формирование сигнала переспроса, стирание комбинации в Hпр и запрещение ее выдачи в ПС; 1О - передача по ОК; А11 - прием из ОК; А12 - дешифрирование сигнала ОС; А13 - стирание предыдущей комбинации в Нпер; А14 - блокировка ИС и повторение передачи комбинации из Hпер.

Если же ошибка в ПКпр обнаруживается декодером, то формируется сигнал переспроса в обратном канале и УУпр ПК выдает команду, запрещающую выдачу информации потребителю ПС из Нпр (эта информация уже не представляет интереса и она уничтожается в накопителе, т. е. "стирается"). Пройдя по обратному каналу за время tр ос сигнал переспроса распознается ДСОС ст. А. С помощью УУпер через tа ос из накопителя Нпер хранящаяся там комбинация повторно передается в кодер и далее. А источнику сообщений ИС и УУпер ПКпер поступает сигнал, запрещающий передавать очередную комбинацию. Следовательно, информация из Нпер будет повторяться до тех пор, пока не придет сигнал подтверждения. Если происходит длительное нарушение связи, в системе начинает циркулировать одна и та же комбинация - говорят, что система "зацикливается". С целью предотвращения "зацикливания" обычно ограничивают количество таких повторов. После некоторого числа повторов одной и той же комбинации система переводится в режим <авария>.Алгоритм работы системы с РОС-ОЖ весьма наглядно иллюстрируется графом состояний системы на рис. 15.3. Как видно из рисунка, правильный прием кодовой комбинации происходит только в следующих случаях (отмечено двойными окружностями и двойными линиями) правильная (без ошибок) первая передача по прямому каналу и правильный прием сигнала подтверждения; обнаружение ошибки при первой передаче, правильный прием сигнала запроса, правильная вторая передача и правильный прием второго сигнала подтверждения; обнаружение ошибки при первой передаче; правильный прием сигнала запроса, обнаружение ошибки при второй передаче, правильный прием второго сигнала запроса, правильная третья передача и т. п. После этого система переходит к передаче следующей кодовой комбинации. В случае не обнаружения ошибки при передаче по прямому каналу и правильному приему сигнала подтверждения (отмечено штриховой линией) к ПИ Поступает информация с ошибкой и система переходит к передаче следующей кодовой комбинации. Если при необнаруженной ошибке в прямом канале происходит трансформация сигнала подтверждения в сигнал запроса в обратном канале (отмечено штрихпунктирной линией), то система повторяет передачу той же кодовой комбинации, в результате чего происходит "вставка". Вставка может произойти и в том случае, когда при правильном приеме по прямому каналу в обратном канале сигнал подтверждения трансформируется в сигнал запроса. Если при передаче по прямому каналу приемник обнаруживает ошибки и в обратном канале сигнал запроса трансформируется в сигнал подтверждения, передатчик выдает новое сообщение, а так как предыдущее сообщение стирается, то происходит "вы падение. Как видно на графе, вставки и выпадения могут про исходить не только на первом цикле передачи кодовой комбинации, но и на последующих. Эти два явления, характерные для всех систем с ОС, получили общее название "сдвига".