Упрощенная структурная схема аппаратуры ПДС.

Дискретность.

Информация - это совокупность сведений, являющихся объектом некоторых операций: передачи, распределения, преобразования, хранения или непосредственного использования.

Для того, чтобы информацию можно было хранить и передавать, ее представляют в виде сообщений.

Сообщение - это форма представления информации для ее хранения, обработки, преобразования или непосредственного использования, т.е. совокупность знаков (символов), содержащих ту или иную информацию.

Сигнал - это физический процесс, отображающий передаваемое сообщение, т.е. форма представления информации для передачи её по каналу связи.

Сигнал всегда представляет собой функцию времени.

Канал связи или просто канал - заданная совокупность средств передачи информации, включающих в себя физическую среду.

Под каналом можно понимать любую часть системы связи, которую нельзя или нежелательно изменять.

Для сообщений, сигналов и каналов рекомендованы следующие обобщения. В зависимости от множества возможных сообщений (сигналов), а также области и характера их определения во времени, различают четыре вида сообщений и сигналов, и соответствующих им основных вида каналов:

 

1.непрерывные непрерывного времени;

2.непрерывные дискретного времени;

3.дискретные непрерывного времени;

4.дискретные дискретного времени.

Соответствующие виды сигналов:

1. х(t)

 

t

 

Любые значения сигналов

2. x(t) из области определения х

t

 

3. x(t)

t Фиксированные(квантованные)

4. x(t) значения сигналов из области

определения х

t

 

Рис.1.1

Для первого или второго и третьего или четвертого видов сообщений, сигналов и каналов приняты сокращенные названия непрерывный (аналоговый) и дискретный соответственно. Четвертый вид сигналов и каналов называют цифровыми.

 

Цифровая связь обладает следующими преимуществами относительно аналоговой:

• высокая помехозащищённость;
• высокая надёжность;
• простота реализации аппаратных и программных средств, обработки сигналов;
• возможность интеграции служб.

 

Какова плата за эти преимущества:

• цифровые системы требуют более интенсивной обработки, чем аналоговые;
• выделение значительного канального ресурса для синхронизации на различных уровнях;
• ухудшение качества связи носит пороговый характер, т.е. качество обслуживания может изменяться в худшую сторону скачком; в аналоговых системах ухудшение качества связи происходит более плавно.

 

Число возможных элементов сигнала на входе дискретного канала называют основанием канала. Например, двоичный канал, q-ичный канал.

Модуляция.

Модуляция - изменение во времени одного или нескольких параметров сигнала в соответствии с передаваемым сообщением. Параметры сигнала, которые отображают измерения передаваемого сообщения, называют представляющими параметрами.

Дискретные сигналы, состоящие из последовательностей импульсов постоянного тока, могут быть непосредственно (без дополнительных преобразований) переданы на то или иное расстояние только по некоторым видам каналов, обеспечивающих прохождение спектра этих сигналов. Для надёжной передачи дискретных сигналов применяется модуляция.

При передаче двоичных сигналов, модулированный сигнал характеризуется двумя различными состояниями: двумя амплитудами при амплитудной модуляции, двумя частотами при частотной модуляции и двумя фазами при фазовой модуляции.

В двоичном канале передаются двоичные сигналы, условно обозначаемые цифрами “0”и “1”. Их называют двоичными единицами информации или битами.

 

Рекомендации МККТТ V.1 и V.24 определяют значения двоичных единиц при различных видах модуляции:

Таблица 1

 

Виды модуляции	“0”	“1”
Однополярная	Бестоковая посылка	Токовая посылка
Двухполярная	Положительная посылка	Отрицательная посылка
Амплитудная	Ток выключен	Ток включён
Частотная	Верхняя частота	Нижняя частота
Фазовая	Фаза, противоположная опорной фазе	Опорная фаза
Относительная фазовая	Переворот фазы	Отсутствие переворота фазы

 

На рисунке 1.2 приведены сигналы, соответствующие некоторым видам модуляции, передаваемой двоичной последовательности.

 

ν Двоичная последовательность

1 0 0 1 1 0 1 0 1

 

Однополярный сигнал

t

Двухполярный сигнал

t

Амплитудная модуляция

t

 

Импульсно-кодовая модуляция

t

Рис.1.2

 

Введём понятия, характеризующие процесс передачи дискретных сигналов во времени.

Значащие моменты -точки на оси времени, в которые происходят изменения дискретного сигнала.

 

Рис.1.3

Значащие интервалы -интервалы времени между соседними значащими моментами.

 

 

Рис.1.4

 

Значащие позиции -фиксированные значения представляющего параметра сигнала на значащем интервале.

 

 

 

Рис.1.5

 

Минимальный по длине значащий интервал, которому кратны все значащие интервалы, называют единичным интервалом. Его обозначают специальным значком t₀. Элемент сигнала, имеющий продолжительность, равную единичному интервалу t₀, называют единичным элементом. Таким образом, t₀-длина единичного элемента во времени.

Кодирование.

Основой передачи дискретных сообщений по каналу связи является условное представление дискретного сообщения в виде совокупности дискретных сигналов. Двоичные каналы являются основой двоичных систем связи. Двоичная система связи, как и любая система связи, предназначена для передачи информации от источника сообщений к получателю сообщений. В двоичных системах связи сообщения формируются из двоичных единиц информации – битов - “0”и “1”. Биты составляют двоичный кодовый алфавит. Элементы алфавита называют еще символами. Совокупность символов кодового алфавита составляет кодовую последовательность.

 

Кодирование - преобразование дискретного сообщения в дискретный сигнал, осуществляемое по определённому правилу.

Код (от лат.Codex-книга) - однозначное соответствие между символами сообщения и последовательностями электрических сигналов, которые это сообщение отображают.

С другой стороны, код - множество всех кодовых последовательностей, возможных при данном правиле кодирования.

С кодированием связаны такие понятия, как блок, слово, знак, кодовая комбинация. Дадим их определения, следуя рекомендациям АН СССР.

Блок - отрезок дискретной последовательности.

Слово - блок, выделенный по определённому признаку и рассматриваемый как одно целое.

Знак - слово, являющееся отрезком более длинного слова. Другое название знака - буква.

Кодовая комбинация или кодовое слово – слово кодовой последовательности, отображающее информационное слово, т.е. совокупность символов кодового алфавита, применяемых для кодирования знака сообщения источника.

Более коротко:

Кодовая комбинация – совокупность единичных элементов, соответствующих некоторому знаку сообщения.

Длина кодовой комбинации (n) – число единичных элементов в составе кодовой комбинации.

Наиболее распространённый способ формирования кодовых комбинаций – представление знаков сообщения в виде чисел в системе счисления, соответствующей основанию канала, совпадающим с основанием кода:

 

А_n(х)=а^n-1 · х_n-1 + а^n-2 · х_n-2 + … + а¹ · х₁ + а⁰ · х₀, где

а – основание системы счисления: а=2, 3, 4…

х_i – символ алфавита,

n – длина кодовой комбинации.

Пример: передать по двоичному каналу цифру 15

а=2, n=5.

х:=0, 1

15→01111

 

Равномерный код - код, у которого длина кодовой комбинации n в пределах кода не изменяется.

Если длины кодовых комбинаций в пределах кода различны, то код называют неравномерным.

Одной из важнейших характеристик кода является кодовое расстояние. Кодовое расстояние определяет степень отличия кодовых комбинаций. Кодовое расстояние между двумя кодовыми комбинациями одинаковой длины определяется как число позиций, в которых эти комбинации отличаются. Кодовое расстояние принято обозначать буквой d (distance). В честь одного из основоположников помехоустойчивого кодирования, кодовое расстояние называют расстоянием Хемминга. Для двоичных кодов расстояние Хемминга между кодовыми комбинациями A_i и A_j определяется:

 

d_ij=W(A_i + A_j), где

 

W - вес (число “1”) результата сложения,

+ - знак сложения по модулю два.

 

Например, расстояние Хемминга между комбинациями (01111) и (10101)равно 3:

 

0 1 1 1 1

1 0 1 0 1

W(1 1 0 1 0) = 3

 

 

Сложение по модулю 2 выполняется по правилу:

 

 

Перебрав все возможные пары кодовых комбинаций кода, можно найти минимальное значение d_min, которое называется минимальным кодовым расстоянием кода. По этому расстоянию определяют помехозащищённость кода.

 

d_min=min{d_ij},

d_min=1 - код простой, т.е. не способен обнаруживать или исправлять ошибки,

d_min>1 - код помехоустойчивый, т.е. обладает свойством обнаруживать и(или) исправлять ошибки.

 

Введённые понятия и определения позволяют сформировать облик аппаратуры передачи дискретных сообщений и на этой основе продолжить ознакомление с компонентами системы передачи дискретных сообщений, составляющими предметную область дисциплины ПДС.

Упрощенная структурная схема аппаратуры ПДС.

На рис.1.6 представлена упрощённая структурная схема аппаратуры передачи данных, являющейся типичным представителем аппаратуры передачи дискретных сообщений. Приведенные на рисунке функциональные узлы аппаратуры соответствуют ГОСТ 17657 -72 и полностью отображают традиционно сложившееся и закрепленное в нормативных документах содержание изучаемой дисциплины.

 

ОУД ОУД

 

ООД АПД АПД ООД

УЗО УПС Канал связи УПС УЗО

Деко-дер

Полу-чатель дан-ных

РУ

Демодулятор

Моду-лятор

Ко-дер

			УСП
			УОНС

Преобразователь код-аналог

УЦС

 

 

Канал постоянного тока

Дискретный канал

 

 

Канал передачи данных

Рис.1.6

 

 

На рис.1.6 приняты следующие обозначения:

ОУД – оконечная установка данных,

АПД – аппаратура передачи данных,

ООД – оконечное оборудование данных,

УЗО – устройство защиты от ошибок,

УПС – устройство преобразования сигналов,

РУ - регистрирующее устройство,

УОНС – устройство оценки надежности сигнала,

УСП – устройство синхронизации по элементам,

УЦС – устройство цикловой синхронизации.

Оконечное оборудование данных (ООД ) представляет собой совокупность устройств ввода и вывода данных. Эти устройства на рис.1.6 представлены источником и получателем сообщений данных. Как правило, это технические средства. Источник формирует сообщение для его дальнейшей передачи, а приемник отображает сообщение в виде, адекватном его содержанию, для представления пользователю. Сообщения данных по своей природе имеют вид, о котором говорилось выше.

В случае аналоговых сообщений они подвергаются дополнительной обработке с помощью преобразователей «аналог – код» на передающей стороне и «код – аналог» - на приемной.

Обычно ввод сообщения от источника данных управляется со стороны АПД, а вывод к получателю – принудительный по мере поступления сообщений.

Аппаратура передачи данных (АПД) – совокупность средств, указанных на рис.1.6. К ним могут быть добавлены вспомогательные устройства, например, контрольно-измерительные устройства, устройства автоматического вызова и ответа и т.д.

Оконечная установка данных (ОУД) – совокупность оконечного оборудования данных и аппаратуры передачи данных, объединенных общим для них устройством управления (на рисунке не представлено).

Устройство защиты от ошибок (УЗО) предназначено для уменьшения числа ошибок, появляющихся в сообщении данных под воздействием помех в канале связи. УЗО включает в свой состав устройства для помехоустойчивого кодирования и декодирования сообщений (кодер, декодер) и устройство цикловой синхронизации (УЦС). Кодер преобразует простой код, в котором сообщение поступает в АПД из ООД, в помехоустойчивый, а декодер выделяет из кодовых комбинаций помехоустойчивого кода, пришедших из канала связи, сообщение источника, устраняя при этом часть ошибок, появившихся при передаче сообщения по каналу связи в результате воздействия помех.

Устройство цикловой синхронизации (УЦС) устанавливает и поддерживает требуемые фазовые соотношения между циклами обработки передаваемых сообщений в кодере и декодере.

Устройство преобразования сигналов (УПС) предназначено для приведения сигнала сообщения, сформированного в ОУД, к виду, обеспечивающему ему передачу по каналу электросвязи. Основной состав УПС представлен на рис.1.6.

Модулятор – устройство, осуществляющее модуляцию. Демодулятор осуществляет обратное преобразование. Совокупность модулятора и демодулятора образует модем.

Регистрирующее устройство (РУ) осуществляет определение и запоминание значащей позиции принятого сигнала в пределах каждого единичного интервала, т.е. в двоичном случае определяет и запоминает значение каждого принятого бита.

Устройство оценки надежности сигнала (УОНС) – устройство, измеряющее один или несколько параметров принятого сигнала и вырабатывающее специальный сигнал, указывающий на возможные ошибки. Здесь и далее под ошибкой будем понимать событие, состоящее в том, что воспроизводимая приемником АПД последовательность сигналов не соответствует исходной. Ошибочный единичный элемент появляется на выходе РУ как результат неправильного решения РУ о значении принятого единичного элемента, ошибочная кодовая комбинация – на выходе декодера как результат неправильного решения декодера о соответствии принятой кодовой комбинации переданной. УОНС призван сократить число ошибок на выходе приемника АПД. Это достигается обработкой – стиранием единичного элемента на выходе РУ или отказом от декодирования – стиранием кодовой комбинации. Эти решения принимаются в том числе и на основе результатов работы УОНС.

Устройство синхронизации по элементам (или поэлементной синхронизации ) (УСП) обеспечивает синхронизацию переданного и принятого сигналов, при которой устанавливаются и поддерживаются требуемые фазовые соотношения между значащими моментами переданных и принятых единичных элементов этих сигналов.

 

Кратко опишем процесс передачи информации в рассматриваемой системе.

Источник вырабатывает сообщение. Если это сообщение имеет дискретную природу (буквы, цифры и т.п.), то оно на выходе источника представляется в виде комбинаций простого кода. Обычно для этой цели используются пятиэлементные коды или семиэлементные коды, называемые первичными. Если вырабатываемое сообщение является аналоговым (изменение температуры, уровня радиации, освещенности и т.п.), то с помощью цифро-аналогового преобразователя («аналог – код») оно приводится к дискретной форме и затем представляется в виде последовательности комбинаций первичного кода.

По команде от АПД сообщения от источника данных вводятся в кодер. Здесь ℓ- элементная комбинация первичного кода преобразуется в n -элементную комбинацию избыточного кода, где n> ℓ. В комбинации избыточного кода помимо элементов, несущих информацию источника сообщений (информационные элементы), вводятся по определенному правилу избыточные элементы, обеспечивающие коду помехоустойчивые свойства. Далее побитно n -элементная комбинация вводится в виде сигналов постоянного тока в модулятор, где сигналы постоянного тока преобразуются к виду, согласованному с используемым каналом, и с помощью каналообразующей аппаратуры через среду распространения поступают на вход демодулятора, где осуществляется обратное преобразование модулированного сигнала в сигналы постоянного тока. При прохождении электрического сигнала по каналу связи на него воздействуют различного рода помехи, которые проявляются в виде искажений длительности сигналов постоянного тока на выходе демодулятора.

УСП определяет ожидаемые значащие моменты поступающих на вход РУ импульсов постоянного тока, и РУ восстанавливает значащие позиции принятых сигналов на значащих интервалах.

С выхода РУ принятое сообщение побитно поступает в декодер. С помощью УЦС определяется начало принятых n -элементных комбинаций. Декодер на основе связей между информационными и избыточными элементами выделяет информационные элементы, и УЗО принудительно выводит их к получателю данных в виде ℓ -элементных комбинаций. Принятые сообщения в зависимости от их первоначальной формы выдаются получателю либо в дискретной форме (комбинации первичного кода), либо с помощью цифро-аналогового преобразователя («код – аналог») в непрерывной форме.

Для обеспечения целевого назначения рассматриваемой системы к ней предъявляются определенные требования.

Так как система связи является сложной системой, то для предъявления требований к ней она декомпозируется на составные части.

На рис.1.6 в рассматриваемой системе связи выделяются три составные части:

• канал постоянного тока,
• дискретный канал,
• канал передачи данных.

 

Канал постоянного тока, как это видно из рис.1.6, представляет собой часть системы связи от входа модулятора до выхода демодулятора. Сигналы на входе и выходе этого канала являются импульсами постоянного тока, к которым предъявляются требования по величине искажений, т.е. канал постоянного тока нормируется по величине искажений длительности передаваемых и принимаемых сигналов.

Дискретный канал – часть системы связи от выхода кодера до входа декодера. На входе и выходе этого канала сигналы имеют вид последовательностей кодовых символов; в двоичном случае – последовательностей двоичных единиц. Выход этого канала – выход РУ, который характеризуется возможностью появления ошибок в результате превышения допустимой величины искажения длительности сигналов на входе РУ. Дискретный канал вводится для задания требований, т.е. нормирования вероятности появления ошибок в кодовой последовательности на входе декодера УЗО.

Канал передачи данных - часть системы связи от входа кодера до выхода декодера. На входе и выходе этого канала передаваемые сообщения имеют вид кодовых комбинаций первичного кода. Этот канал служит для задания требований, т.е. нормирования потока комбинаций первичного кода по вероятности искажения кодовой комбинации первичного кода. Реализация этих требований позволяет снизить вероятность ошибки в комбинации первичного кода, поступающей к получателю, до заданной величины. Поэтому канал передачи данных называют защищенным от ошибок каналом.