Помехоустойчивое кодирование

ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ КОДОВ

Будем говорить только о цифровых кодах.

В зависимости от длины кодовой комбинации:

· равномерные коды

· неравномерные коды

По отношению к избыточности:

· неизбыточные

· избыточные

o обнаруживающие коды

o корректирующие коды

и те и другие могут быть:

o систематическими

o несистематическими

Информация представляется и передается в форме последовательности сигналов, символов. От источника к приёмнику сообщение передается через некоторую материальную среду. Если в процессе передачи ис­пользуются технические средства связи, то их называют каналами передачи информации (информационными каналами). К ним относятся телефон, радио, ТВ. Органы чувств человека исполняют роль биологических информационных каналов.

Согласно Шеннону процесс передачи информации по техническим каналам связи проходит по следующей схеме:

• источник информации – тот элемент окружающего мира (объект, процесс, явление, событие), сведения о котором являются объектом преобразования.
• потребитель информации – тот элемент окружающего мира, который использует информацию (для выработки поведения, для принятия решения, для управления или для обучения.
• сигнал – материальный носитель, который фиксирует информацию для переноса ее от источника к потребителю.

В реальных каналах связи возникают разного рода помехи, искажающие передаваемый сигнал и приводящие к потере информации. Согласно Шеннону все эти помехи называют «шумом» или мешающими влияниями в каналах связи. Для организации помехоустойчивого кодирования необходимо иметь максимальный объем сведений о возможных мешающих влияниях в каналах.

Таким образом, мешающие влияния разделяют на:

· шумы,

· помехи,

· замирания,

· искажения,

· ошибки.

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, внутрисистемным, ретранслированным, имитационным.

· Шумовую помеху представляют в виде внешнего флуктуационного шума, увеличивающего интенсивность шума приемника.

· Импульсные помехи (ИП) действуют в течение ограниченного времени. 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 свойства сигнала.

· Внутрисистемные помехи характерны 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.

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 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 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,

· 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.

Проводные ЛС. 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.

В кабельных ЛС 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. 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.

Радиорелейные линии прямой видимости. В тракте передачи РРЛ действуют тепловой шум приемника, замирания, помехи от внешних источников. Внешними источниками естественных помех являются главным образом соседние радио- и радиолокационные станции. Помехи в зависимости от электромагнитной обстановки могут иметь самый разнообразный характер и проявляться в тракте РРЛ в виде одной или нескольких узкополосных помех, помеховых импульсов, дополнительного шума, ретранслированного (задержанного) полезного сигнала, переданного по РРЛ.

Тропосферные радиолинии. Так же, как и в РРЛ, на тракт ТРЛ воздействуют аддитивный шум приемника, замирания и внешние помехи. Однако из-за большей, чем в РРЛ, чувствительности приемника, принципиальной нестационарности объема переизлучения все составляющие мешающих воздействий выражены в ТРЛ гораздо сильнее. Основными причинами замираний являются метеорологические условия и изменения объема переизлучения.

Космические линии связи. Мешающие влияния, в космических ЛС обусловлены многими причинами: поглощением радиоволн в ионосфере и тропосфере, рефракцией, изменением поляризации, помехами от теплового излучения тропосферы, шумами поглощения, экранирующим действием плазмы, возникающей при торможении космического летательного аппарата в атмосфере Земли, рассеянием радиоволн в ионосфере при случайных флуктуациях концентрации электронов, солнечным и звездным шумами. Практически все перечисленные факторы увеличивают флуктуационный шум. Однако иногда возникают условия распространения, способствующие появлению частотно-селективных замираний. Две главные особенности космических ЛС - флуктуационный шум и большая, близкая к предельной, задержка информации существенно влияют на выбор метода помехоустойчивого кодирования.

Коротковолновые линии радиосвязи. Замирания и атмосферные явления - магнитные бури, полярные сияния - главные источники помех коротковолновой радиосвязи. Замирания создаются в результате интерференции нескольких приходящих в место приема лучей, отраженных от ионосферы.. Сила атмосферных воздействий нарастает и спадает медленно со скоростью от нескольких минут до нескольких часов, часто приводя к полной потере связи на длительное время.

Линии радиосвязи с наземными подвижными объектами. Связь в РЛП осуществляют в УКВ диапазоне. Сеть РЛП, организованная в городских и пригоpодных районах, содержит центральную станцию, обеспечивающую связь с подвижными объектами (ПО) зоны, обслуживаемой станцией. Прием сигналов в ПО сопровождается замираниями, параметры которых зависят от скорости движения ПО, его удаления от центральной станции и характера затенений.

Телефонные каналы. Телефонный канал представляет наиболее распространенный тракт передачи дискретной информации. Отличительные особенности телефонных каналов состоят в наличии полосовых фильтров, нескольких различных модемов и преобразователей спектра в одном тракте, значительной (до нескольких тысяч километров) протяженности ЛС, большом числе разъемных соединений и регулировок, доступных обслуживающему персоналу, многоканальности. Мешающие влияния в телефонных каналах весьма разнообразны. Причиной их помимо помех в ЛС служат кратковременные перерывы и скачки уровня, искажения формы импульса сигнала неравномерностью АЧХ канала, импульсные помехи, переходные влияния от других каналов. В телефонных каналах из-за большой протяженности и многообразия помех трудно получить вероятность ошибки менее 10^-3... 10^-4.

Внутриаппаратные тракты. Значительную часть аппаратуры современных систем дискретной связи составляют устройства обработки сигналов, среди которых большую роль играют компьютеры. Микропроцессоры, использующие внешнюю магнитную память, содержат все виды внутриаппаратных трактов. В составе любого компьютера различают процессор, устройства оперативной (ОЗУ), постоянной (ПЗУ), внешней магнитной (ленты, диски) памяти, устройства ввода-вывода ((УВВ), шины информационного обмена (данных, адресов, управления). Во всех перечисленных устройствах и трактах возникают ошибки, приводящие к неверным результатам вычислений, сбою программы, излишним затратам машинного времени и нервов программиста и оператора. Наибольшая часть ошибок появляется в УВВ, шинах, устройствах памяти. Устройство ввода-вывода так же, как и процессор, содержит значительное число элементов цифровой логики, в которых наблюдаются как случайные, так и систематические ошибки. Старение элементов, ухудшение качества электрических контактов, расфазировки сигналов на входах логических элементов вызывают систематические ошибки, которые (как и случайные ошибки) носят асимметричный характер на ограниченных временных интервалах. К случайным ошибкам приводят различные электромагнитные влияния, помехи в цепях питания. Шина информационного обмена представляет собой разновидность проводной (короткой кабельной) линии связи, основными источниками ошибок в которой являются внешние наводки и искажения формы импульсов сигнала, вызванные плохим согласованием линии. В ОЗУ и ПЗУ ошибки возникают вследствие искажения адресов записи-считывания, неисправности ячеек памяти.

Помехи в каналах связи возникают, прежде всего, по техническим причинам: пло­хое качество линий связи, незащищенность друг от друга различных потоков информации, передаваемой по одним и тем же каналам и т.д. Вообще, передача сообщений при наличии помех является серьезной теоретической и практической задачей. Ее значимость возрастает в связи с повсеместным внедрением компьютерных телекоммуникаций, в которых помехи неизбежны. При работе с кодированной информацией, искажаемой помехами, можно выделить следующие основные проблемы:

ü установления самого факта того, что произошло искажение информации;

ü выяснения того, в каком конкретно месте передаваемого текста это произошло;

ü исправления ошибки, хотя бы с некоторой степенью достоверности.

Чаще всего человек вполне справляется с каждой из указанных выше задач, хотя и не всегда отдает себе отчет, как он это делает (т. е. неалгоритми­чески, а исходя из каких-то ассоциативных связей). Известно, что естественный язык обладает большой избыточностью (в европейских языках - до 7%), чем объяс­няется большая помехоустойчивость сообщений, составленных из знаков алфавитов таких языков. Примером, иллюстрирующим устойчивость русского языка к поме­хам, может служить предложение «в словох всо глосноо зомононо боквой о». Здесь 26% символов «поражены», однако это не приводит к потере смысла. Таким обра­зом, в данном случае избыточность является полезным свойством.

Дата добавления: 2013-12-14