О моделях помехоустойчивых каналов связи

О моделях помехоустойчивых каналов связи

А.А. Борисенко, проф.,

О.В. Бережная, доц.

Сумский государственный университет

Введение

При выборе помехоустойчивого кода для передачи информации большую роль играют характеристики используемого канала связи, которые представляются той или иной его моделью. На основании этой модели в дальнейшем производятся оценка различных кодов и выбор среди них наиболее эффективного для данной модели. Поэтому имеется необходимость в проведении анализа существующих моделей каналов связи с целью выбора на его основе наиболее эффективных методов кодирования передаваемой информации, что является целью данной работы. Однако прежде чем перейти к самим моделям каналов связи, необходимо остановиться на источниках и причинах помех в системах передачи данных.

1. Источники помех

Причинами помех являются шумы, которые подразделяются на два класса: стационарные и импульсные [1, с. 51]. Импульсные помехи, например, вызываются молнией или коммутационной аппаратурой на центральной станции, переключением аппаратуры на резервный канал. Они, как правило, носят асимметричный характер. Стационарными помехами могут быть обычный шум, затухание в СВЧ - устройствах, шумы, обусловленные устройствами подавления эхо-помех [2, с.35]. Обычно они создают симметричные ошибки. Кроме этих помех, наблюдаются двусторонние искажения краев импульсов, а также их дробление [3, с.14]. Также наблюдается влияние промышленных и медицинских приборов и устройств, радиостанций, высоковольтных линий электропередачи, электрифицированного городского транспорта, радиолокаторов, носящее смешанный характер [4, с.37].

В абонентские телефонные линии вносятся ошибки обмена из-за затухания полезного сигнала, изменения его амплитудно-частотной характеристики в процессе передачи, например, когда высокочастотные сигналы затухают сильнее, чем низкочастотные за счет значительного уменьшения или увеличения импеданса линии по сравнению с нормальным, в результате чего нет согласования выходного сопротивления модема с линией. Также на уровень и симметрию помех оказывают влияние отклонение напряжения смещения в линии от номинала; влияние участков переприема сигналов, в которых происходит преобразование сигналов из высокочастотных, передаваемых по магистральным линиям с использованием частотного уплотнения каналов, в низкочастотные и наоборот; качество настройки полосовых фильтров на телефонных станциях; фазочастотные искажения, вызванные затуханием на краях полосы пропускания; смещение несущей частоты, при котором спектр сигнала равномерно смещается на несколько Гц; дрожание фазы по периодическому случайному закону (джитер фазы); случайный поток скачкообразных изменений начальной фазы сигналов; замирание сигналов; колебание амплитуды [5, с.269-270].

Причиной помех являются также перекрестные наводки от внутренних источников помех, когда электромагнитное поле сигнала, передаваемого выходом передатчика по одной паре проводников, наводит на другую пару проводников сигналы помех [6, с.122].

Большинство из указаных причин ошибок имеет направленное действие, что приводит к асимметрии, за исключением белого шума, который приводит к симметричным помехам. Как правило, направленными, а значит асимметричными, являются импульсные помехи. Например, потребляемый ток двигателя постоянного тока имеет определенный вектор направления. Соответственно и помехи, вносимые работой двигателя, в основном однонаправленные.

Асимметричные ошибки появляются также и в кодирующей цифровой аппаратуре даже при симметричных помехах, т.к. пороги срабатывания микросхем 10 и 01 имеют значительное отличие [7, с.25]. Так, например, микросхема К11804БУ4, представляющая собой схему управления последовательностью микрокоманд, имеет входное пороговое напряжение высокого уровня 2 В, а входное напряжение низкого уровня 0,8 В [7, с.125]. Поэтому симметричные помехи разного направления по - разному будут влиять на помехоустойчивость микросхемы. Они представляют собой, по сути, асимметричные помехи. Причины помех в цифровых схемах многообразны. Это неудачная конструкция, когда одна микросхема влияет на другую, пульсация источников питания, посторонние электромагнитные наводки, коллекторы электродвигателей (даже маломощных), перекрестные помехи в проводниках, грозовые разряды и т.д. Помехи в цифровых схемах имеют обычно характер кратковременных импульсов. Различают внешние и внутренние помехи. К внешним относятся помехи от промышленной сети электропитания, сильноточных переключателей, городского электротранспорта, электродвигателей, атмосферных грозовых разрядов. Амплитуда и длительность внешних помех, как правило, не зависят от параметров логических элементов цифровых схем и определяется мощностью и спектром электромагнитного излучения внешнего источника и экранирующими свойствами конструкций и линий связи. К внутренним относятся помехи, амплитуда и длительность воздействия которых находятся в прямой зависимости от амплитуды и длительности фронтов сигналов логических элементов и соединяющих их линий связи. Чем больше амплитуда рабочих сигналов логических элементов, тем больше амплитуда внутренних помех и наоборот. Внутренние помехи в цифровых схемах принято разделять на обусловленные емкостными и индуктивными связями между сигнальными цепями логических элементов (перекрестные помехи), кондуктивные, обусловленные наличием общих участков цепи схемной «земли», экрана и цепей питания, и колебательные, обусловленные неполнотой согласования цепей связи, при колебательном режиме работы эмиттерных повторителей на емкостную нагрузку, резонансных явлений в цепях и т.п. [7, с.6-7].

Источники помех часто не поддаются коррекции со стороны человека, т.к. носят обьективный характер (например, грозовые разряды). Защита от этих источников бывает трудоемкая и дорогостоящая. Тем более величина асимметрии ошибок плохо поддается внешнему влиянию (например, степень асимметрии ошибок, возникающих при работе электродвигателя постоянного тока), хотя в ряде случаев ее все же можно изменить в ту или иную сторону путем воздействия на источник помех или замены оборудования. Но далеко не всегда имеет смысл такое воздействие производить, т.к. бывает более эффективно для защиты от помех применить специальный код, соответствующий характеру помех. Учитывая, что в настоящее время существуют достаточно мощные коды для обнаружения симметричных ошибок, они, наряду со специальными, вполне эффективно могут решать задачи по повышению помехоустойчивости в каналах связи с асимметричными ошибками. Однако вопрос применения того или иного помехоустойчивого кода должен решаться на основе тщательного его анализа с учетом всех его характеристик, а не только помехоустойчивости.

Таким образом, источники и причины помех в системах передачи данных являются чрезвычайно разнообразными. Из них очень многие, особенно импульсные, приводят к асимметричным ошибкам. Исследование и устранение истинных причин асимметрии часто представляют дорогостоящее и экономически нецелесообразное мероприятие. Во многих случаях более эффективным путем устранения асимметричных ошибок является применение специального помехоустойчивого кодирования.

2. Симметричные каналы связи

Исторически первой моделью канала связи является модель стационарного двоичного симметричного канала связи с независимыми ошибками. Единственным параметром канала, необходимым для определения всех характеристик системы, является вероятность искажения символа р_э=р₁₀=р₀₁. Модель отличается исключительной простотой, но, как показали детальные исследования последовательностей ошибок, в реальных каналах статистика ошибок во многих случаях не удовлетворяет столь простой модели. Ошибки часто являются зависимыми и обладают, как правило, тенденцией к группированию. Поэтому для выбора оптимальных способов защиты от ошибок потребовалось тщательное изучение их статистики с целью получения математической модели, которая наиболее точно отражала бы реальный характер возникновения ошибок. В результате таких исследований разработано несколько десятков моделей для различных каналов связи. Соответственно этим моделям затем выбираются подходящие помехоустойчивые коды, которые наиболее эффективно решают задачи обнаружения и исправления ошибок [8, с.24].

Однако все эти модели ошибок могут быть использованы для описания реальных каналов связи лишь на сравнительно небольших промежутках времени. В то же время почти во всех реальных каналах связи при долговременных наблюдениях отмечается значительная неравномерность распределения ошибок во времени, частота которых может меняться в течение суток от 50 до 100 раз [8, с.28]. Это вызвано тем, что в часы наиболее напряженной работы, когда величина загрузки канала естественно возрастает, возрастает и уровень перекрестных помех, перегружаются источники питания, увеличивается число переключений и т.д. В другое время ошибки возникают сравнительно редко, и канал может находиться в хорошем состоянии. Эти и другие подобные факты приводят к тому, что поток ошибок в канале связи становится нестационарным. В телефонных каналах, например, отмечаются часовые, дневные и даже недельные вариации. В [8, с.52-53] на рисунках 5.1 и 5.2 в качестве примера показано распределение ошибок по часам суток для телефонных каналов на основе кабельных линий. Поэтому более близкой к реальности является модель, отражающая в той или иной мере изменение числа ошибок в течение продолжительного отрезка времени - нестационарная модель симметричного канала.

3. Асимметричные каналы связи

Симметричность ошибок в каналах, принимаемая в простейшей модели, является также, как и нестационарность, определенной его идеализацией. На самом деле строго симметричных каналов нет в принципе. Однако существует большое число каналов, которые можно считать в среднем достаточно симметричными [3, с.91]. При этом, наряду с симметричными каналами, как показано выше, существуют каналы с большой степенью асимметрии - до 100% однонаправленных ошибок. Поэтому при выборе кода нужно руководствоваться также и степенью ассиметрии канала связи.

В начале, когда статистические данные об ошибках отсутствовали, при разработке способов повышения достоверности исходили из предложения о том, что в дискретных каналах ошибки возникают независимо друг от друга, что соответствует отсутствию между ними связей. В этом случае канал связи полностью характеризуется одним параметром - вероятностью ошибки. С помощью этого параметра, согласно биноминальному распределению, можно определить все остальные характеристики, такие, как вероятность искажения кодовых комбинаций любой длины, количество искаженных комбинаций с различным числом ошибок и т.д. Однако исследования статистических характеристик последовательностей ошибок в реальных каналах показали, что большинство ошибок являются зависимыми и обладают тенденцией к группированию. В этом случае большую часть времени информация проходит по каналу связи без искажений, а в отдельные моменты времени возникают пакеты ошибок, внутри которых вероятность ошибок оказывается значительно выше средней вероятности ошибок, вычисленной для длительного времени передачи. В результате коды, оптимальные для гипотезы независимых ошибок, могут оказаться не столь эффективными при использовании их в реальных каналах. Причины группового характера ошибок в каналах разного типа различны и до конца еще не определены. В радиоканалах - это замирание и помехи, в каналах кабельных линий связи - перегрузка аппаратуры, кратковременные прерывания и различного рода помехи. При этом частота ошибок изменяется в широких пределах и зависит от типа канала, его протяженности, числа переприемов и других факторов. Так, например, в коммутируемых телефонных каналах вероятность ошибки равна 10^-2-10^-4. Она зависит от протяженности канала, загрузки АТС, числа участвующих в соединении абонентов. Для выделенных телефонных каналов вероятность ошибок лежит в пределах 10^-4-10^-5, а для радиорелейных и тропосферных - 10^-3-10^-4. Вероятность ошибок в КВ радиоканалах в сильной степени зависит от мощности передатчика, вида антенн, выбранных частот и других факторов и может принимать значения от 10^-2 до 10^-4 [3, с.53].

Кроме вероятности ошибок, в канале связи в модели канала должна присутствовать также вероятность ошибок, вызванная сбоями в кодирующей, модулирующей, демодулирующей и декодирующей аппаратуре. Эти ошибки играют существенную роль, и без их учета оценка эффективности применения того или иного кода будет неполной.

Существенное значение для характеристики канала связи, кроме вероятностей ошибок, имеет распределение по числу ошибочных двоичных символов в знаках. Так, например, в телефонном частотно - модулированном канале (фиг. 8 в [1]) одному искаженному символу в знаке, состоящем из 8 двоичных символов, соответствует около 90 % всех искаженных знаков. При этом не было зарегистрировано ни одного знака, в котором было бы искажено более 5 двоичных символов [1, с.56].

Так как от 80 до 90% искаженных знаков содержат только один искаженный двоичный символ, то одного проверочного символа достаточно для обнаружения всех этих ошибок при помощи простого кода с проверкой на четность.

Кроме кодирующей и декодирующей аппаратуры, ошибки могут возникать в модулирующих и демодулирующих устройствах. Их применение преследует две основные цели. Во-первых, повышение скорости передачи информации по каналу связи и, во-вторых, уменьшение воздействия шумов и искажений. Без применения модуляции многие каналы связи оказались бы непригодными для передачи информации с нужными скоростями. Существует три вида модуляции: амплитудная, частотная и фазовая, из которых амплитудная - наименее защищенная от помех, но наиболее простая, а фазовая - наиболее защищенная от помех и наиболее сложная [9, с.170].

Изменения амплитуды, вызванные импульсными шумами и скачками уровней, являются основной причиной появления сбоев в канале связи, особенно в модемах с амплитудной модуляцией. Поэтому сегодня в основном используется квадратурно - амплитудная модуляция, в которой изменяется как фаза, так и амплитуда сигнала [10, с.145]. Модемы с частотной и фазовой модуляцией имеют ограничители уровня, которые позволяют игнорировать амплитудные изменения, если они не слишком велики. В результате импульсные шумы влияют на фазовую и частотную модуляцию в значительно меньшей степени, чем на амплитудную. Наиболее устойчивой к импульсным помехам является фазовая модуляция [9, с.172]. После нее по надежности идет частотная модуляция, затем амплитудная. Однако все виды модемов так или иначе могут давать ошибки, особенно при повышении скорости передаваемых сигналов. В частности, возможны искажения, обусловленные разной задержкой различных частот. Следует отметить, что в модемах широко используются цифровые схемы, которые также дают сбои и требуют специальных кодов для защиты от ошибок [9, с.175]. Поэтому в стандартных модемах существуют коды, которые позволяют принимающему модему выполнять автоматическое исправление возникающих ошибок.

Однако, как бы хороши не были система модуляции и примененная в модемах защита информации от ошибок, она не в состоянии скорректировать ошибки, возникающие в каналах из-за сильных импульсных помех. Появление таких ошибок является наиболее распространенным дефектом большинства каналов связи [9, с.181]. Поэтому в любом случае необходимо помехоустойчивое кодирование для защиты каналов связи. Тем более, что в ряде случаев при передаче на небольшие расстояния модемы вообще исключаются из системы передачи информации, и в этом случае остается только необходимость защиты от помех кодирующей и декодирующей аппаратуры и линии связи с помощью различных методов, например, использованием специального манчестерского кода и проверки на четность и нечетность, как это предусмотрено в стандартах США, МIL STD 1553A, МIL STD 1553В [10, с. 149].

Таким образом, с точки зрения приближения к реальной действительности, наиболее адекватной является модель нестационарного канала с асимметричным характером ошибок, с их пакетированием и с учетом распределения вероятностей сбоев в канале связи и приемопередающей аппаратуре.

4. Данные о реальных асимметричных каналах и их характеристика

Данные по асимметричным каналам связи в литературе имеются, в частности, по коммутируемым телефонным линиям связи. Так, например, в [1] в статье «Результаты испытаний по параллельной передаче информации со средней скоростью» (авторы Андерсон, Де Фриз, Содерберг, Брук, Голдман) рассматриваются результаты исследований, которые проводились в телефонном канале, подразделенном на 9 частотно - модулированных подканалов. Испытания проводились компаниями «Белл Телефон Лэбораторис» и «Хониуэлл». Информация передавалась через специальную линию на международную АТС Нью - Йорк 1 компании « Америкен телефон энд телеграф», а затем по коммутируемым линиям. В системе использовались модуляторы и демодуляторы со средней скоростью передачи до 75 знаков в секунду. Каждый знак состоял не более чем из 8 символов. Испытания проводились при полной нагрузке устройств передачи и приема. На с. 56 этой книги указано, что для телефонных линий связи переходы 10 занимают в среднем 80% общего числа ошибок и соответственно 01 - 20%. Там же даны диаграммы распределения ошибок по 9 подканалам для переходов 10 и 01. Из диаграмм видно, что переходы 10, например для первого подканала, занимают 90%, а 01 - около 10%, а, например, для подканала 5 асимметрия 100%, т.к. имеются переходы только 01, а 10 отсутствуют. Аналогичная асимметрия наблюдается и для остальных 7 подканалов.

Другой пример дан в [3]. В этой книге выделен специальный раздел под названием «Характеристики асимметрии дискретных каналов» (с.90-96). В этом разделе введены специальные критерии асимметрии и формулы для ее вычисления. Там же приведены результаты испытания для КВ радиотелеграфных и радиорелейных телефонных каналов с частотой и фазовой модуляцией. Из приведенных графиков явно видна асимметрия канала, зависящая от блока (см. рисунки 6.15 - 6.18 в [3]).

Кроме обычной асимметрии, существует и более сложная асимметрия, например, связанная с распределением четных и нечетных ошибок. Как видно из рисунка 5.31 в [3], приведенного для тропосферного асинхронного канала, асимметрия такого канала доходит до 85% четных ошибок против 15% нечетных. При этом процентное соотношение четных и нечетных ошибок зависит от вида модуляции кодируемых сигналов - ЧМ и ОФМ.

Таким образом, асимметрия ошибок в каналах связи реально существует и особенно четко она проявляется в телефонных линиях связи, которые сегодня активно используются для передачи больших обьемов цифровой информации в системах Интернета и электронной почты. Эта асимметрия зависит от длины пакетов, уровня и вида шумов. Причем уровень асимметрии достаточно значителен и иногда доходит в телефонных линиях связи до 100% ошибок определенного вида. Анализируя фиг. 6 и 7 в [1], следует также отметить, что симметричных ошибок в исследуемых телефонных каналах не наблюдается.

Заключение

Таким образом, надежность любой системы связи нельзя обеспечить, только используя конструктивные методы ее повышения, связанные с улучшением технологии изготовления и повышением качества отдельных ее узлов и элементов. Необходимо еще использование современных методов помехоустойчивого кодирования. В настоящее время известны десятки различных помехоустойчивых кодов, и основная задача при повышении надежности связи - это задача выбора такого кода, который бы, с одной стороны, удовлетворял необходимым требованиям к помехоустойчивости системы связи, а с другой - минимально снижал скорость передачи данных и приводил к незначительным аппаратурным издержкам.

Наиболее высокой помехоустойчивостью в настоящее время обладают мощные циклические коды. Однако эти коды не решают всех проблем, которые возникают при передаче информации хотя бы уже потому, что иначе не разрабатывались бы и тем более не применялись бы другие коды с меньшей помехоустойчивостью. Наиболее известными из этих кодов являются коды с проверкой на четность, а также равновесные коды и некоторые их разновидности. Достоинством таких кодов является простота кодирования и декодирования, что особенно важно при аппаратной реализации кодирующих и декодирующих устройств. Коды с проверкой на четность обладают самой низкой помехоустойчивостью. Однако из-за своей простоты это наиболее широко применяемые коды, причем не только в простейших системах и устройствах, для которых сбои не так уж опасны, а даже в сверхответственных бортовых управляющих цифровых системах. Так, например, при создании сложных многомашинных цифровых комплексов была разработана система информационного обмена с чрезвычайно высокими показателями по достоверности информации, использующая для защиты информации только контроль на четность и двухуровневые фазоманипулированные сигналы без возвращения к нулю (манчестерский код) [10, с.157 - 158]. Более того, на этой основе были разработаны унифицированные магистральные программноуправляемые мультиплексные каналы информационного обмена, основные характеристики которых были отражены первоначально в стандартах США, а затем в аналогичных стандартах других стран. Значительное распространение нашли и равновесные коды, которые применялись еще в довоенное время. Их главное достоинство - это простота алгоритмов кодирования и декодирования при достаточно хорошей помехоустойчивости. Они находят широкое применение как при помехоустойчивой реализации цифровых устройств [11, с.76], так и в промышленных системах контроля, в банковской и коммерческой деятельности (например коды Бара) [11, с.101]. Применяются равновесные коды и в сетях радиосвязи, которые более подвержены искажениям и затуханиям, чем наземные телеграфные линии. В качестве систем обнаружения ошибок в таких сложных по помехоустойчивости системах связи используется система van Duuren ARQ. В ней осуществляется дуплексная синхронная передача. Символы выдаются блоками или словами. Используется равновесный код «3 из 7», который допускает 35 различных комбинаций. В случае ошибки происходит повтор передачи [9, с.190]. Очень часто используются совместно код с проверкой на четность с равновесным кодом, так как это сделано в работе [2, с.51] при использовании равновесного кода «4 из 8». В проводной телеграфии широко используются коды с постоянным соотношением разнополярных импульсов, например, международный телеграфный код № 3 содержит три токовых и четыре безтоковых импульса. Увеличение или уменьшение токовых посылок в коде говорит о наличии ошибок [12, с.173].

Однако наиболее эффективное использование равновесных кодов может быть достигнуто в каналах с явно выраженной асимметрией помех, т.к. эти коды по своей структуре наиболее приспособлены для исправления ошибок в асимметричных каналах. Но это не единственное достоинство этих кодов. Они обладают простыми и эффективными алгоритмами обнаружения ошибок, что позволяет существенно упростить соответствующие кодирующие и декодирующие устройства. Именно по этой причине они нашли такое широкое применение на практике. Применение этих кодов для нестационарного канала с изменяющейся во времени интенсивностью помех вызвало определенные затруднения, т.к. не существовало простых алгоритмов изменения длины кодовых комбинаций в зависимости от уровня помех. Существующие методы достаточно сложны, особенно для аппаратной реализации [11. с.83-88].

Исходя из вышеуказанного, необходимо продолжать разработку новых помехоустойчивых кодов, учитывающих специфику появления ошибок в тех или иных каналах связи, с целью повышения вероятности обнаружения ошибок и уменьшения аппаратурных затрат при высоких скоростях передачи информации.

Список литературы

1. Статистика ошибок при передаче цифровой информации: Сборник статей / Перевод с англ. - М.: Мир, 1966. - 302с.

2. Системы передачи данных и сети и ЭВМ / Под ред. П. Грина и Р. Лаки: Перевод с англ. - Москва, 1974. - 216с.

3. Элементы теории передачи дискретной информации / Под ред. Л.П. Пуртова. - М.: Связь, 1972. - 232с.

4. Овчинников В.Н. Организация передачи информации в автоматизированных системах управления. -М.: Энергия, 1974. - 126 с.

5. Новиков Ю.В., Кондратенко С.В. Локальные сети: архитектура, алгоритмы, проектирование. - М.: Изд-во ЭКОМ, 2001. - 312 с.

6. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. - СПб.: Питер, 2001. - 672с.

7. Применение интегральных микросхем в электронной вычислительной технике Справочник / Р.В. Данилов, С.А. Ельцова, Ю.П. Иванов и др.; Под ред. Б.Н. Файзулаева, Б.В. Тарабрина. - М.: Радио и связь, 1986. - 384с.

8. Советов Б.Я., Стах В.М. Построение адаптивных систем передачи информации для автоматизированного управления. - Л.: Энергоиздат, 1982. - 120 с.

9. Мартин Дж. Системный анализ передачи данных / Пер. с англ. - М.: Мир, 1975. - 256с.

10. Бортовые цифровые вычислительные машины и системы: Учеб. пособие для вузов по спец. «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» / В.И. Матов, Ю.А. Белоусов, Е.П. Федосеев; Под ред. В.И. Матова. - М.: Высш. шк. - 1988. - 216с.

11. Оберман Р.М. М. Счет и счетчики / Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1984. - 176с.

12. Цымбал В.П. Теория информации и кодирование: Учебник.- К.: Вища школа, 1977. - 288с.