9.2. Системы и сети электросвязи

Системы передачи дискретных сообщений. Структурная схема системы ПДС изображена на рис. 9.8. Источник и получатель сооб­щений вместе с преобразователем сообщения в сигнал в состав сис­темы ПДС не входят.

Символы от источника дискретных сообщений поступают в виде кодовых комбинаций, которые состоят из единичных элементов (посылок). Кодовая комбинация характеризуется основанием кода т и числом единичных элементов, составляющих кодовую комбинацию (длиной кода n), которая отображает передаваемый символ а_i. Осно­вание кода характеризует возможное число различимых значащих позиций поступающего от ИС-сигнала.

В технике ПДС наибольшее распространение получили коды с ос­нованием 2. Такие коды часто называют двоичными, или бинарными.

Основная причина широкого применения двоичных кодов - про­стота реализации, надежность элементов двоичной логики, малая чувствительность к действию внешних помех и т.д. Поэтому в даль­нейшем во всех случаях (если это не будет оговорено особо) рас­сматриваются только двоичные коды.

Сообщение, поступающее от источника сообщений, в ряде случа­ев содержит избыточность. Это обусловлено тем, что символы , входящие в сообщение, могут быть статистически связаны. Это по­зволяет часть сообщения не передавать, восстанавливая его на приеме по известной статистической связи. Так, кстати, поступают при передаче телеграмм, исключая из текста союзы, предлоги, знаки препинания, поскольку они легко восстанавливаются при чтении теле­граммы на основании известных правил построения фраз и слов. Ко­нечно, избыточность в принимаемой телеграмме позволяет легко ис­править часть искаженных слов (правильно их прочитать). Однако избыточность приводит к тому, что за заданный промежуток времени будет передано меньше сообщений, и, следовательно, менее эффек­тивно будет использоваться канал передачи дискретных сообщений. Задачу устранения избыточности на передаче в СПДС выполняет ко­дер источника.

Рис. 9.8. Структурная схема источника ПДС

Рассмотрим основные идеи «сжатия» сообщений или, точнее, со­кращения избыточности, содержащейся в сообщении. Пусть в тече­нии времени T передается некоторое сообщение, состоящее из N букв. Каждая буква представлена равномерным n-элементным кодом. Идея эффективного кодирования, направленного на снижение избы­точности, основывается на использовании неравномерных кодов -кодов, для которых длина кодовой комбинации будет обратно про­порциональна вероятности появления буквы, которую она отобража­ет. При этом средняя длина комбинации

где n* - длина k-й кодовой комбинации; p_k - вероятность появления в тексте k-й кодовой комбинации; К - алфавит источника или число разновидностей кодовых комбинаций.

Так как n* должно быть меньше n, то время передачи сообщения

а коэффициент сжатия

Каковы потенциальные возможности сжимающих устройств? Ответ на этот вопрос дал К. Шеннон. Он показал, что , где Н(А) -онтропия сообщения, определяемая выражением

.

Таким образом, нельзя закодировать сообщение так, чтобы сред-няя длина кодовой комбинации была меньше энтропии сообщения. С другой стороны, n* < Н(А) + 1. Среднее число элементов на сообще­ние (букву) можно уменьшить, если кодировать не каждую букву в отдельности, а блоки из букв алфавита А. В этом случае можно полу­чить среднее число элементов на букву сколь угодно мало отличаю-щееся от энтропии, но при этом увеличивается сложность реализации процедуры сжатия.

Существует множество различных процедур сжатия, отличающих-i и эффективностью и сложностью реализации. Одна из таких процедур задается протоколом V.42bis, широко используемым в современ­ных модемах. Описание этой процедуры можно найти в [6].

С целью повышения верности передачи используется избыточное кодирование, позволяющее на приеме обнаруживать или даже ис­правлять ошибки.

В процессе кодирования осуществляется преобразование исход­ной кодовой комбинации V, в результате чего получаем кодовую ком­бинацию V^* = φ(V). В процессе кодирования, которое осуществляется в кодере канала, в кодовую комбинацию вносится избыточность. На приемном конце декодер канала осуществляет обратное преобразо­вание (декодирование), в результате которого получаем комбинацию исходного кода V. Часто кодер и декодер канала называют устройст­вами защиты от ошибок (УЗО).

С целью согласования кодера и декодера канала с непрерывным каналом связи (средой, в которой осуществляется, как правило, пере­дача непрерывных сигналов) используются на передаче и приеме устройства преобразования сигналов (УПС). В частном случае это -модулятор и демодулятор. Совместно с каналом связи УПС образуют дискретный канал, т.е. канал, предназначенный для передачи только дискретных сигналов (цифровых сигналов данных).

Различают синхронные и асинхронные дискретные каналы. В син­хронных дискретных каналах ввод каждого единичного элемента произ­водится в строго определенные моменты времени и они предназначены для передачи только изохронных сигналов. По асинхронному каналу можно передавать любые сигналы - изохронные, анизохронные, поэто­му такие каналы получили название «прозрачных» или «кодонезависи­мых». Синхронные каналы «непрозрачные» или «кодозависимые».

Дискретный канал в совокупности с кодером и декодером канала (УЗО) называется расширенным дискретным каналом (РДК). Если применительно к дискретному каналу рассматривается передача единичных элементов, принимающих значение 0 или 1, и алфавит «источника», работающего на дискретный канал, можно считать рав­ным 2, то применительно к расширенному дискретному каналу рас­сматривается передача кодовых комбинаций длиной п элементов и при использовании двоичного кода число возможных комбинаций равно 2". Следовательно алфавит «источника», работающего на рас­ширенный дискретный канал, можно считать равным 2ⁿ - отсюда и название «расширенный» (В соответствии с [5] элемент алфавита называется символом. Таким образом, симво­лами являются 0 и 1 для двоичного дискретного канала и кодовые комбинации приме­нительно к РДК. В современной литературе по теории кодирования чаще всего под термином символ принято понимать элемент кодовой комбинации.). В технике передачи данных РДК называ­ют каналом передачи данных.

Дискретный канал характеризуется скоростью передачи информа­ции, измеряемой в битах в секунду (бит/с). Другой характеристикой дискретного канала является скорость телеграфирования В - число единичных элементов, которое можно передать в секунду по каналу. В технике передачи данных вместо термина «скорость телеграфиро­вания» используют термин «скорость модуляции». Скорость модуля­ции В и скорость передачи информации связаны соотношением , где I- количество бит информации, которое «несет на себе» один единичный элемент.

Пример 9.1. Рассчитаем скорость телеграфирования Б и скорость передачи информации R в дискретном канале. Длительность единичного элемента возьмем равной . Будем считать, что каждый информационный элемент несет один бит информации и на каждые семь информационных элементов приходится один проверочный.

Скорость телеграфирования определяется как и, сле­довательно, в = 1/0.01 = 100 Бод. Скорость передачи информации будет определяться числом информационных элементов, переданных в се­кунду, то есть R = В x J = 100 x 7/8 = 87.5 бит/с.

Важной характеристикой дискретного канала является верность передачи единичных элементов. Она определяется через коэффици­ент ошибок по элементам:

k_ош = n_ош/n_пер,

то есть отношением числа ошибочно принятых элементов (n_ош) к об­щему числу переданных (n_пер) за интервал анализа.

Для характеристики канала передачи данных используются сле­дующие параметры - коэффициент ошибок по кодовым комбинациям и эффективная скорость передачи информации. Коэффициент оши­бок по кодовым комбинациям характеризует верность передачи кодо­вых комбинаций и определяется отношением числа ошибочно приня­тых кодовых комбинаций к числу переданных на заданном интервале времени. При определении эффективной скорости учитывается, что не все комбинации, поступающие на вход канала ПД, выдаются полу­чателю. Часть комбинаций может быть забракована. Кроме того, учи­тывается, что не все элементы, передаваемые в канал, несут ин­формацию.

В системах ПДС дискретные сигналы могут передаваться после­довательно или параллельно. При последовательной передаче еди­ничные элементы следуют в канале поочередно. При параллельной передаче единичные элементы объединяются в группы, состоящие из нескольких единичных элементов. Элементы, составляющие группу, передаются одновременно (обычно в разной полосе частот) по от­дельным каналам. При заданной скорости передачи последовательные системы (одночастотные) отличаются рядом преимуществ по сравнению с параллельными (многочастотными): лучшее использо­вание мощности передатчика, некритичность к нелинейности канала, простота в реализации и т.п. [8].

Различают синхронную и асинхронную передачу дискретных сиг­налов. При синхронной передаче дискретного сигнала его ЗМ нахо­дятся в требуемом постоянном фазовом соотношении со значащими моментами любого другого передаваемого сигнала. При асинхрон­ной передаче дискретного сигнала его ЗМ могут находиться в любых фазовых соотношениях со значащими моментами любого другого сигнала.

В соответствии со структурной схемой (см. рис. 9.8) на приемной стороне сначала в УПС определяется вид элемента (0 или 1), затем из элементов формируются кодовые комбинации, декодирование ко­торых позволяет определить вид заданного символа. Такой метод приема в теории передачи дискретных сообщений получил название поэлементного. Рассматривая в общем виде задачу определения ви­да переданного элемента, ее можно свести к задаче сравнения при­нятого сигнала с эталоном. Если речь идет о двоичных сигналах, то эталонов достаточно иметь два (или даже один).

Кодовая комбинация представляет собой составной сигнал, со­стоящий из элементарных двоичных сигналов. Этот составной сигнал можно обрабатывать в целом, сравнивая принятый составной сигнал со всеми эталонами. Однако в данном случае число эталонов будет чрезвычайно велико - равно числу возможных кодовых комбинаций. Хотя прием в целом и обеспечивает большую верность [1], но вслед­ствие сложности реализации он применяется ограниченно.

Для обеспечения правильного приема переданных символов в технике передачи дискретных сообщений приходится решать различ­ные задачи синхронизации.

Синхронизация есть процесс установления и поддержания опре­деленных временных соотношений между двумя или несколькими процессами. В технике связи, в частности, часто приходится решать задачу установления и поддержания определенных фазовых соотно­шений между сигналами, вырабатываемыми на передаче и приеме.

Так, на приеме для правильного воспроизведения элементов ко­довых комбинаций необходимо уметь отделить один элемент от дру­гого. Для этого могут использоваться различные методы поэлементной синхронизации [4].

Рис. 9.9. Структура стартстопной последовательности

В соответствии с [5] синхронизация передан­ного и принятого дискретных сигналов, при которой устанавливаются и поддерживаются требуемые временные соотношения между зна­чащими моментами переданных и принятых элементов этих сигналов, называется поэлементной.

Для правильного приема символов недостаточно обеспечить пра­вильный прием единичных элементов. Так, последовательность при­нятых элементов ...101011101000..., состоящая из трехэлементных кодовых комбинаций, может быть разбита на приеме на кодовые ком­бинации следующим образом:

В вариантах а)-в) мы имеем разные кодовые комбинации. Если предположить, что в варианте а) принятые кодовые комбинации сов­падают с переданными, то в варианте б) все они будут приняты с ошибкой. Задача правильного отделения одной кодовой комбинации от другой решается методами групповой синхронизации, которая по­зволяет устанавливать и поддерживать требуемые фазовые соотно­шения между ЗМ начал переданных и принятых групп единичных элементов. Заметим, что здесь под группами понимаются последова­тельности элементов, составляющих кодовую комбинацию.

Простейшим методом, позволяющим на приеме отделить одну ко­довую комбинацию от другой, является введение в состав этой ком­бинации специальных элементов в начале комбинации и в ее конце. Элемент, стоящий в начале кодовой комбинации, называется старто­вым, а в конце - стоповым. Передаваемая таким образом последова­тельность называется стартстопной (рис. 9.9). Стартстопный метод передачи относится к асинхронным, так как передачу любой кодовой комбинации можно начать в любой момент времени.

Системы передачи и распределения сообщений (сети электро­связи). В рассмотренной выше СПДС передача сообщений осуществ­ляется в одну сторону от отправителя сообщений к получателю, или от «точки к точке». Для этого использовался двухточечный односто­ронний канал связи.

Если источник и получатель поочередно меняются местами, то для обмена сигналами необходимо использовать поочередный двухсто­ронний канал связи, допускающий передачу как в одну, так и в проти­воположную сторону (полудуплексный режим). Большие возможности для обмена предоставляет одновременный двусторонний канал свя­зи, обеспечивающий одновременную передачу сигналов в противопо­ложных направлениях (дуплексный режим).

При необходимости обмена сообщениями между многими от­правителями и получателями, называемых в этом случае пользо­вателями или абонентами, требуется создание систем передачи сообщений (СПС) с большим числом каналов связи. Это приводит к концепции системы передачи и распределения сообщений (СПРС), т.е. системы связи в широком смысле. Такую систему обычно на­зывают сетью связи (электросвязи), сетью передачи информации или сетью передачи сообщений. Примерами СПРС являются мно­готочечное соединение (рис. 9.10), в котором оконечные пункты (ОП) соединены линией связи, и полносвязная сеть (рис. 9.11), где ОП подключены друг к другу по принципу «каждый с каждым». Дан­ные виды сетей являются некоммутируемыми, и связь между або­нентами осуществляется по постоянно закрепленным (некоммути­руемым) каналам. Распределение информации в таких сетях обес­печивается специальными методами доступа или процедурами управления передачей информации, служащими для уведомления о том, какие абоненты будут осуществлять обмен сообщениями. При увеличении числа абонентов в многоточечной сети значитель­но возрастают задержки в передаче информации, а в полносвяз­ных сетях существенно увеличивается число линий связи и объем аппаратуры. Разрешение этих проблем связано с использованием коммутируемых сетей СПРС, где абоненты связываются между со­бой не непосредственно, а через один или несколько узлов комму­тации (УК).

Таким образом, коммутируемая СПРС представляет собой со­вокупность ОП, узлов коммутации и соединяющих их линий связи.

Основная задача современных СПРС - обеспечение широкого кру­га пользователей (людей или организаций) разнообразными инфор­мационными услугами, в число которых входит в первую очередь эффективная доставка сообщений из одного пункта в другой, удовле­творяющая требованиям по скорости, верности, времени задержки, надежности и стоимости [8].