книги из ГПНТБ / Зелигер Н.Б. Основы передачи данных учеб. пособие

Г Л А В А 6

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

6.1.Классификация систем передачи данных

Впоследние годы процесс развития и широкого внедрения вы­ числительной техники во все отрасли народного хозяйства непре­ рывно возрастает. Вследствие этого возникла задача в установле­

нии быстродействующей автоматизированной связи высокой на­ дежности между источниками информации, расположенными в раз­ личных географических пунктах страны и вычислительными цент­ рами, обрабатывающими поступающую информацию с помощью электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Результаты обрабо­ танной электронно-вычислительными машинами информации, в: свою очередь, передаются большому количеству потребителей ин­ формации, также расположенных в различных пунктах страны.

•Передача дискретной информации по каналам связи для обра­ ботки ее электронно-вычислительными машинами или передача ре­ зультатов обработанной электронно-вычислительными машинами информации носит название п е р е д а ч и д а н н ых . Для обеспече­ ния высокоскоростной и надежной передачи данных по каналам связи, подверженным действию помех, используются системы свя­ зи, которые носят название систем передачи данных (СПД).

Системы передачи данных по способам повышения достоверно­ сти передаваемой информации подразделяются на два принци­ пиально различных класса, а именно на системы без обратной свя­ зи и системы с обратной связью (рис. 6.1).

Во многих системах без обратной связи достоверность переда­ ваемой информации обеспечивается применением избыточных ко­ дов, исправляющих ошибки. Вводимая в информацию избыточ­ ность является постоянной и рассчитана на заданную (а не факти­ ческую) интенсивность помех в канале связи. В системах без об­ ратной связи передача информации от передающего пункта к при­ емному осуществляется по одностороннему (симплексному) кана­ лу связи. Эти системы используются, главным образом, в случаях передачи весьма срочной (быстро стареющей) информации, не до­ пускающей каких-либо дополнительных задержек, обусловленных стремлением повысить ее достоверность.

Существенным преимуществом систем без обратной связи яв­ ляется возможность ограничения для передачи информации одно­ сторонним каналом связи. К недостаткам систем следует отнести

180

несогласованность вводимой ,в информацию избыточности (в силу

еепостоянства) с характером помех в канале связи.

Всистемах с обратной связью повышение достоверности пере­

даваемой информации достигается повторением кодовых комбина­ ций, принятых с ошибками. Различают два способа повторения —

Рис. 6.1. Классификация систем передачи данных

безадресный и адресный. При безадресном способе повторяется вся информация, начиная с обнаруженной ошибочной комбина­ ции. При адресном способе повторяется только та комбинация, в которой обнаружена ошибка, или ее часть.

В системах с обратной связью вводимая в информацию избы­ точность является величиной переменной и соответствует характе­ ру помех в канале связи. С повышением интенсивности помех уве­ личивается количество повторных передач, что равносильно авто­ матическому повышению вводимой избыточности.

Переменный характер вводимой избыточности вызывает соот­ ветственное изменение величины задержки передаваемого сообще­ ния, причем задержка может достичь достаточно большого значе­ ния. Поэтому применение систем с обратной связью целесообраз­ но в тех случаях, когда достижение высокой достоверности являет­ ся более важным, чем обеспечение срочности передачи (случай медленно стареющей информации).

Для реализации принципа статистической согласованности вво­ димой избыточности с интенсивностью помех в канале связи (прин­ ципа адаптации) следует осуществлять непрерывный контроль за каналом связи. Для этого требуется наличие дополнительного ка­ нала обратной связи, по которому передаются сигналы подтверж­ дения приема или переспроса сообщения.

К преимуществам систем с обратной связью следует отнести возможность обеспечения заданной достоверности информации при меньшей избыточности кода, чем в системах без обратной свя­ зи. Недостатками этих систем являются: необходимость в канале

181

обратной связи, возникновение дополнительной задержки при пере­ даче информации, влияние помех в канале обратной связи, ухуд­ шающих качество приема.

Различают системы с информационной обратной связью и с ре­ шающей обратной связью («с переспросом»).

Всистемах первого типа вся информация, принятая по прямо­ му каналу, возвращается по обратному каналу на передающую станцию; на последней принятая информация сравнивается с дей­ ствительно переданной. Если в какой-либо части информации бу­ дет обнаружена ошибка, эта часть информации передается вто­ рично.

Всистемах второго типа решение о достоверности поступившей информации принимается на приемной станции. Если в принятой информации будет обнаружена ошибка, то по обратному каналу сообщается о необходимости повторения сомнительной информа­ ции. Очевидно, что количество информации, передаваемой по спе­ циально выделенному обратному каналу, в системе с решающей обратной связью значительно меньше, чем в системе с информа­ ционной обратной связью. Поэтому пропускная способность обрат­ ного канала в системе с решающей обратной связью может быть намного меньше, чем пропускная способность прямого канала. В системе же с информационной обратной связью качество обратно­ го канала должно быть не ниже качества прямого канала. Кроме того, при передаче небольшого количества информации по специ­ альному обратному каналу можно пренебречь вероятностью воз­ никновения в нем помех, вносящих дополнительные ошибки. Од­ нако для повышения пропускной способности систем с решающей

обратной связью в некоторых из них оба канала — прямой и об­ ратный — используются как для передачи полезной информации, так и для передачи сигналов обратной связи (переспросов). Су­ ществуют также системы с комбинированной обратной связью; в этих системах решение о достоверности поступившей информации принимается или на приемной, или на передающей станции.

В зависимости от числа допустимых повторных передач сооб­ щения системы с обратной связью делятся на системы с ограниче­ нием времени передачи и на системы без ограничения времени передачи. В системах первого типа, если в- заданное время сообще­ ние не будет принято, оно бракуется («стирается»). Системы вто­ рого типа допускают неограниченное количество повторных пере­ дач и применяются в тех случаях, когда требуется обеспечить за­ данную достоверность приема информации независимо от времени ее задержки.

6.2. Системы без обратной связи

ПОВТОРЕНИЕ И Н Ф О РМ АЦ И И

В системах без обратной связи повышение достоверности пере­ даваемой информации достигается многократным повторением со­ общения, параллельной передачей одного и того же сообщения по

182

нескольким каналам связи и применением избыточных кодов с ис­ правлением ошибок.

Метод повышения достоверности путем многократной передачи одного и того же сообщения впервые нашел применение в теле­ графной системе Бодо—Бердан в 1926 г. Сущность метода повто­ рения состоит в проверке идентичности повторяемых кодовых ком­ бинаций. На приемной станции производится автоматическое срав­ нение одного и того же сообщения, переданного через определен­ ные интервалы времени несколько раз подряд. За действительно переданное принимается сообщение, составные части которого (ко­ довые комбинации, или элементы комбинации) имеют наибольшее число совпадений («критерий большинства»). Например,'если в трижды переданной комбинации 10011 младший разряд один раз принят как «0», а два раза — как «1», то этот разряд записывает­ ся как «1». Для уменьшения неопределенности при оценке сообще­ ние передается нечетное число раз. Повторно передаваемые сооб­ щения поступают в накопительное устройство, в котором они хра­ нятся до завершения приема всех сообщений, подлежащих срав­ нению.

Параллельное повторение информации осуществляется путем одновременной передачи сообщений по нескольким каналам связи. Решение о приеме производится на основании результатов, полу­ ченных во всех каналах.

Для большего повышения достоверности в системах с повторе­ нием могут быть дополнительно применены избыточные коды с об­ наружением ошибок. В этом случае для параллельной передачи можно ограничиться двумя каналами связи.

В е р о я т н о с т ь о ш и б к и при п о в т о р е н и и и н ф о р м а ­ ции. Рассмотрим частный случай трехкратного повторения. Пра­ вильный прием n-элементной кодовой комбинации при трехкрат­ ном повторении возможен только в двух случаях, а именно, когда кодовая комбинация или все три раза принята без ошибок, или из трех раз принята без ошибок два раза.

В первом случае вероятность правильного приема кодовой ком­

Во втором случае, если ошибки ів отдельных посылках комби­ нации происходят независимо одна от другой, вероятность правиль­ ного приема кодовой комбинации

Здесь С® — число случаев, когда из трех кодовых комбинаций Две

приняты правильно; (1—ро)2п — вероятность правильного приема двух кодовых комбинаций; 1 —(1—p0) " — вероятность ошибочного приема одной кодовой комбинации.

183

Вероятность ошибочного приема л-элементной кодовой комби­ нации при трехкратном повторении Рк, 3 на основе теоремы сложе­ ния независимых событий равна

В общем случае вероятность ошибки л-элементной кодовой комби­ нации при г-кратном повторении равна

РК' Г= 1 - Ѵ - Р * У п- С Г 1(1 — Po)(r~1)n [1 — (1 — Po)"] —

« 7 - ІО-3. При отсутствии повторений РК|і = 1 — (1—ро)п—\1— (1—10“2) 5« 5 -1 0 _2.

Таким образом, достоверность повышается примерно на один порядок.

П Р И М Е Н Е Н И Е И ЗБ Ы ТО Ч Н Ы Х КОДОВ С И С П РА В Л ЕН И Е М О Ш И БО К

На рис. 6.2 приведена структурная схема системы, использую­ щей для повышения достоверности избыточный код с исправлени­ ем ошибок. Сообщение от источника информации поступает в ко-

Рис. 6.2. Структурная схема передачи данных без обратной связи

допреобразователь передачи; последний служит для преобразова­ ния простого (неизбыточного) кода в избыточный (процесс коди­ рования).

Из кодопреобразователя через передающее устройство сообще­ ние направляется в канал связи, на входе которого включено при­ емное устройство. Из приемного устройства сообщение поступает в устройство обнаружения и исправления ошибок и далее в кодо­ преобразователь приема;; в последнем осуществляется преобразо­ вание избыточного кода в неизбыточный (процесс декодирования). После кодопреобразователя исправленное сообщение направляет­ ся к получателю информации.

При выборе избыточного кода следует прежде всего исходить из закона распределения ошибок в канале связи. В результате воздей­ ствия помех в передаваемой информации могут возникнуть оди­ ночные или многократные независимые ошибки. Однако в боль­ шинстве случаев «всплески» помех вызывают в каналах связи груп­ повые (коррелированные) ошибки. В первом случае используются коды, предназначенные для исправления независимых многократ­ ных ошибок, а во втором случае — некоторые типы циклических

184

кедов и рекуррентные коды, раосчитанные на исправление корре­ лированных ошибок. Правильный выбор типа избыточного кода возможен при наличии статистических данных о характере рас­ пределения ошибок в информации, передаваемой по данному ка­ налу связи.

6.3.Системы с обратной связью

СИСТЕМА С ИНФОРМ АЦИОННОЙ о б р а т н о й с в я з ь ю

Между двумя системами с обратной связью — информационной и решающей — в выборе кода имеется следующее различие. В си­ стемах с информационной обратной связью нет необходимости в применении избыточного кода с обнаружением ошибок, поскольку в этих системах выявление ошибок производится на передающей станции путем сравнения принятой информации с действительно переданной, безошибочной. В системах с решающей обратной свя­ зью применение избыточного кода с обнаружением ошибок стано­ вится принципиально необходимым, так как здесь выявление оши­ бок осуществляется на приемной станции, не имеющей возможно­ сти сравнивать принятую информацию с эталонной (безошибоч­ ной).

На рис. 6.3 приведен один из вариантов структурной схемы си­ стемы с обратной информационной связью. Схема передачи содер­ жит источник информации; преобразователь кода, выполняющий функции .преобразования параллельного кода в последовательный; повторитель, запоминающий некоторое количество кодовых комби­ наций, используемых для повторной передачи в случае обнаруже­ ния ошибок; сравнивающее устройство, в котором принятая инфор­ мация сопоставляется с переданной; схему задержки, обеспечива­ ющую поступление в схему сравнения передаваемой информации одновременно с информацией, поступающей из обратного канала связно вспомогательный датчик, который в случае обнаружения ошибки посылает по прямому каналу связи сигнал «отрицание»; переключающее устройство, состоящее из двух логических ячеек И и одной ячейки ИЛИ; устройства передачи и приема.

185

От источника информации через переключающее устройство, преобразователь кода и устройство передачи информация направ­ ляется по прямому каналу связи к станции приема; одновременно эта информация с выхода переключающего устройства поступает в повторитель. С выхода устройства передачи информация через схему задержки направляется на вход сравнивающего устройства; на другой вход сравнивающего устройства по обратному каналу поступает переданная информация.

Если принятая информация тождественна переданной, то на вы­ ходе сравнивающего устройства вырабатывается сигнал «переда­ ча», в результате чего обеспечивается продолжение передачи ин­ формации (через ячейки Иі и ИЛИ переключающего устройства).

При несовпадении принятой информации с переданной на выходе сравнивающего устройства формируется сигнал «повторение», ко­ торый вызовет блокировку источника информации, включение вспомогательного датчика, передающего по прямому каналу связи

комбинаций до выдачи их потребителю; анализатор, выдающий на вход накопителя, в случае обнаружения ошибки, сигнал «стира­ ние»; приемник информации. На приемной станции информация поступает в устройство приема, с выхода которого направляется в накопитель информации, анализатор, устройство передачи и че­ рез канал обратной связи возвращается на передающую станцию. Из накопителя принятая безошибочная комбинация выдается по­ требителю информации.

Если поступившая комбинация представляет собой сигнал «от­ рицание», то на выходе анализатора возникает сигнал «стирание» и записанная в накопителе информация уничтожается. После сиг­ нала «стирание» на приемную станцию начинает поступать повтор­ ная информация.

СИСТЕМА С Р Е Ш А Ю Щ Е Й ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Основным недостатком системы с информационной обратной связью является ее низкая пропускная способность, обусловленная тем, что передача полезной информации в этой системе произво­ дится только по одному \из двух занимаемых для связи каналов — по прямому каналу; обратный канал предназначен исключительно для проверки достоверности передаваемой информации. В некото­ рых системах с решающей обратной связью оба канала — прямой и обратный — используются для передачи полезной информации; очевидно, что такие системы, в отличие от систем с обратной ин­ формационной связью, обладают более высокой пропускной спо­ собностью.

186

Процедура проверки достоверности заключается в том, что ори обнаружении ошибки на приемном конце одной из станций прием­ ник этой станции блокируется, и на передающий'конец соседней станции посылается сигнал «запрос». После этого передатчик со­ седней станции повторно передает кодовую комбинацию, в которой была обнаружена на приеме ошибка. Таким образом, в передавае­ мую в оба направления полезную информацию, после обнаруже­ ния ошибок, «вклиниваются» сигналы «запрос». После исправле­ ния выявленных ошибок прерванная передача полезной информа­ ции возобновляется.

При работе по каналам с большой вероятностью ошибки имеет­ ся опасность, что система перейдет в режим переспросов, и тогда скорость передачи информации резко снизится. В каналах с не­ большим уровнем помех система с решающей обратной связью яв­ ляется весьма эффективной, поскольку применяемый в ней код с

чик Пер, управляемый тактовыми импульсами Tt (от устройства формирования импульсов через ячейку НЕТі);-входной накопитель Накі, в котором каждая передаваемая кодовая комбинация запи­ сывается параллельным кодом; повторитель Пов, запоминающий некоторое количество кодовых комбинаций, используемых для по­ вторной передачи в случае переспроса; кодирующее устройство КУ, выполняющее функции преобразования неизбыточного кода в из­ быточный; наборное устройство НУ; синхронный распределитель СРь считывающий кодовую комбинацию из наборного устройства; устройство, формирующее кодовую комбинацию «запрос» Зап; две логические ячейки И и ИЛИ и выходное устройство Вых.

При отсутствии ошибок передаваемая передатчиком кодовая комбинация записывается во входной накопитель; из накопителя тактовым импульсом Ті считывается предыдущая кодовая комби­ нация, которая направляется в повторитель и параллельно в коди­ рующее устройство. Из последнего избыточная кодовая комбина­ ция поступает в наборное устройство, откуда считывается распре­ делителем передачи и отправляется последовательным кодом че­ рез выходное устройство в канал связи и на соседнюю станцию.

Схема приема содержит: входное устройство Вх; синхронный распределитель приема СР2; декодирующее устройство ДУ, пред­ назначенное для преобразования избыточного кода в неизбыточный;і выходной накопитель Нак; стартстопный приемник информа­ ций Пр; устройство обнаружения ошибок УОО; управляющее уст­ ройство УУ и две логические ячейки НЕТ2 и НЕТ3.

Кодовые комбинации, приходящие из канала связи, поступают через входное устройство на распределитель приема. Из распреде­ лителя информация направляется в декодирующее устройство и од­ новременно в устройство обнаружения ошибок. (При отсутствии

187

ошибок кодовые -комбинации после декодирующего устройства за­ писываются в выходной накопитель, из которого направляются в стартстопный приемник. Если же в поступившей на станцию Б ко­ довой комбинации обнаружится ошибка, то с устройства обнару­ жения ошибок через ячейку НЕТ2 будет послан сигнал в управля­ ющее устройство и в устройство формирования кодовой комбина­ ции «запрос». С управляющего устройства, в -свою очередь, будет выдано определенное число тактовых импульсов (равное емкости k повторителя) на логические ячейки НЕТь НЕТ2, НЕТ3 и И. В ре­ зультате этого на станции Б в течение /г циклов выполняются сле­ дующие операции:

— блокируется прием, т. е. запрещается (посредством ячейки НЕТз) передача информации от выходного накопителя ів оконечный аппарат; этим предотвращается прием кодовых комбинаций, про­ должающих поступать на станцию Б (вслед за искаженной ком­ бинацией) до получения на станции А комбинации «запрос»;

—стирается информация в выходном накопителе, вследствие чего станция А должна повторить не только искаженную комбина­ цию, но и определенное количество последующих комбинаций;.

—запрещается (посредством ячейки НЕТі) передача инфор­ мации с автоматического передатчика на k циклов;

—передается по обратному каналу на станцию А кодовая ком­ бинация «запрос»;

—повторно передаются, вслед за комбинацией «запрос», через ячейки И и ИЛИ, записанные в повторителе k кодовых комбина­ ций, предшествующих комбинации «запрос»;

—запрещается поступление сигнала на вход управляющего ус­

тройства в течение k циклов.

Поступившая на станцию А комбинация «запрос» восприни­ мается устройством обнаружения ошибок как ошибочная, и по­ этому на этой станции осуществляются те же операции, что и на станции Б, где была обнаружена действительная ошибка.

Таким образом, при обнаружении ошибки в поступившей на од­ ну из станций кодовой комбинации, характер выполняемых при этом операций и их последовательность на обеих совместно рабо­ тающих станциях идентичны. Такая логика построения системы обеспечивает правильность ее работы при всех возможных случа­ ях искажения кодовых комбинаций — рабочих и «запрос».

■Временная диаграмма работы системы для частного случая, когда искажена кодовая комбинация только в одном канале, при­ ведена на рис. 6.5. Как видно из диаграммы, комбинация III, пере­ данная с автоматического передатчика станции А, принята на стан­ ции Б с ошибкой. Обнаружив ошибку, станция Б прервет свою пе­ редачу с автоматического передатчика и вместо очередной комби­ нации 5 пошлет на станцию А с устройства формирования кодовую комбинацию «запрос». В рассматриваемой системе емкость нако­ пителя выбрана равной четырем (k = 4 ), поэтому приемник стан­ ции будет заблокирован на время, равное продолжительности передачи четырех комбинаций (начиная с комбинации .«запрос»).

189