книги из ГПНТБ / Константинов П.А. Авиационная радиосвязь

смысл в русском языке, к общему числу всех возможных сооб­ щений с точностью до некоторой постоянной величины, харак­

теризующей данный язык, равно д/ оя.юоо

Л— 2-3000

N.. 2^макс.:оо0

Несмотря на ничтожную малость отношения------- , устранение А/цакс

избыточности в русском языке привело бы к сравнительно не­ большому уменьшению длины сообщения и увеличению скоро­ сти передачи информации. Вместе с тем наличие избыточности повышает помехоустойчивость связи, поскольку избыточность дает возможность исправлять искажения путем сопоставления искаженной радиограммы с наиболее подходящими к ней по смыслу словами и фразами русского языка. Отсюда следует, что наличие статистических связей в языке не является только недостатком, так как примерно двукратный проигрыш в скоро­ сти передачи информации окупается повышением помехоустой­ чивости связи.

Ранее указывалось, что для передачи сообщения по радиока­ налу связи необходимо его преобразование в радиосигналы, т. е. необходимо кодирование сообщения. Кодированием сооб­ щения был назван способ его представления в форме, пригодной для передачи по данному каналу. С этой точки зрения печатный

в виде звуков, букв и слов для обозначения окружающих нас предметов и явлений. Это — первый этап кодирования, который дает возможность производить обмен информацией между людь­ ми с помощью текста или устной речи. В данном случае нас ин­ тересует второй этап кодирования, который дает возможность преобразовать текст, рассматриваемый нами как сообщение, в электрические сигналы, управляющие колебаниями генератора высокой частоты с целью образования радиооигналов. Пр,и та­ ком преобразовании каждой букве текста сопоставляется определенная комбинация элементов кода, т. е. электрических импульсов, отличающихся друг от друга по какому-нибудь при­ знаку. В применяемых на практике кодах используется разли­ чие импульсов по амплитуде, по длительности, по временному положению, по их полярности и др.

Важными характеристиками являются количество разрядов кода п и его основание т. Количество разрядов кода равно об­ щему количеству элементов, образующих кодовую комбинацию. Код может быть одноразрядным, двухразрядным или я-разряд- ным. Основанием кода называется число различных элементов кода. В зависимости от этого различают двоичные коды (т — 2) и коды с более высоким основанием (т^>2).

20

вание называется статистическим, в отличие от нестатистическо­ го кодирования с применением равномерного кода. При стати­ стическом кодировании можно обеспечить большую краткость кода, чем при нестатистическом кодировании.

Шеннон [2] доказал следующее: передаваемое сообщение может быть закодировано таким образом, что количество двоич­ ных единиц на одну кодовую комбинацию будет сколь угодно близко приближаться к энтропии данного источника сообщений. В этом случае средняя скорость передачи будет максимальной, близкой к величине

Vmukc= с / я б/мин.

Не существует такого кода, для которого количество двоичных единиц на одну кодовую комбинацию было бы меньше энтро­ пии источника сообщения.

Это важное положение определяет максимально возможную краткость кода. Код, обладающий максимальной краткостью, называется оптимальным кодом.

В настоящее время находят применение различные коды в зависимости от назначения линии связи. Так, в практике между­ народного телеграфного обмена радиолюбителей широко при­ меняются так называемые Q-код и радиолюбительский код. Комбинации Q-кода составляются из трех букв, комбинации радиолюбительского кода могут содержать как меньшее, так и большее число букв. Комбинации этих кодов составляют набор выражений, принятых в международной радиолюбительской практике. Например, комбинация QRA означает вопрос: «Каков адрес вашей станции?». Указанные коды позволяют ра­ диолюбителям разных стран производить взаимный радиообмен независимо от знания языка другой страны.

Для передачи секретных сведений военного и дипломатиче­ ского характера применяются оперативные коды. В этом случае для передачи сообщения используется шифр, т. е. условная азбука, составляемая из цифр по определенной системе. Чтение условной азбуки, т. е. расшифровка сообщения, осуществляется

спомощью ключа.

Ввойсках, в том числе и в ВВС, широко применяются так ■называемые телеграфные коды — код Морзе, равномерный пя­ тиразрядный (пятиэлементный) код и др.

Комбинации кода Морзе составляются из посылок и пауз различной длительности. Посылка наименьшей длительности называется элементарным импульсом и соответствует точке. Длительность тире в три раза больше длительности точки. Для кода Морзе существенным является наличие пауз, позволяющих разделять элементы кода и их комбинации друг от друга. Эле­ менты кода внутри кодовой комбинации (буквы) разделяются паузой, длительность которой равна длительности одного эле­ ментарного импульса. Длительность паузы между буквами рав­ на длительности трех элементарных импульсов, длительность

22

паузы между словами равна длительности пяти элементарных импульсов.

Код Морзе является неравномерным кодом, его кодовые ком­ бинации состоят из различного числа элементов и имеют раз­ личную длительность. Минимальная длительность кодовой ком­ бинации, соответствующей букве Е, с учетом паузы равна дли­ тельности четырех элементарных импульсов. Максимальная дли­ тельность кодовой комбинации, соответствующей цифре нуль, с учетом пауз равна длительности 22 элементарных импульсов. Некоторые кодовые комбинации приведены на рис. 2.1, все — в приложение II. 1.

Рис. 2.1. Код Морзе. Кодовые комбинации некоторых знаков

Средняя длительность кодовой комбинации для букв может быть найдена по формуле

4р — S Pi 4. i

где Pi — вероятности букв,

1е — длительности кодовых комбинаций соответствующих букв в элементарных импульсах.

Пользуясь таблицей 2.1 и приложением 2.1, можно подсчи­ тать, что для русского языка с учетом пауз внутри буквы и меж­

сти приходится на паузы. Однако устранить паузы при исполь­ зовании кода Морзе принципиально невозможно, так как они обеспечивают возможность разделения кодовых комбинаций.

Комбинации, кода Морзе составлены применительно к статисти­ ке английского языка, которая отлична от статистики русского языка. Например, в английском языке наибольшую вероятность

23

имеет буква Е и ей соответствует самая короткая кодовая ком­ бинация (точка). Наибольшую вероятность в русском языке имеет буква О, однако ей соответствует довольно длинная ко­ довая комбинация (три тире). Расчет показывает [3], что если код Морзе скорректировать с учетом статистики русского языка, сред­ няя длительность буквы могла бы быть сокращена примерно до 9,2 т0,т. е. всего на 8%. Поскольку возможное сокращение незна­ чительно, не имеет смысла изменять общепринятый код Морзе и приспосабливать его к русскому языку.

Чтобы оценить, в какой степени краткость кода Морзе могла бы приблизиться к максимально возможной, выразим среднюю длительность буквы э двоичных единицах и сравним ее с энтро­ пией русского языка. Для этого будем записывать точки поло­ жительной посылкой, а тире — отрицательной посылкой той же длительности. При такой записи паузы внутри буквы выпадают. Если не учитывать паузы между буквами, тогда средний дли­ тельность буквы в русском языке будет равна /ср= 2,7 de.ed.j6.

Из приведенных расчетов видно, что хотя код Морзе состав­ лен с учетом статистики языка, он все же не является оптималь­ ным даже в том случае, если пауза между буквами не прини­ мается во внимание, так как и в этом случае количество двоич­ ных единиц на кодовую комбинацию (Нк=1ср—2,7 дв.ед./б) пре­ восходит энтропию русского языка.

Практически длительность буквы будет еще больше, ибо пауза между буквами принципиально необходима для их разде­ ления. Следовательно, код Морзе является троичным, так как комбинации кода составляются из трех различных элементов: точки, тире и паузы между буквами.

Предположим, что пауза между буквами передается нулевой посылкой, причем ее длительность одинакова с длительностью положительной и отрицательной посылок. Если каждая посылка имеет длительность т„. тогда с учетом паузы средняя длитель­ ность буквы будет равна /ср ~ 3,7 т0.

По такому принципу построен кабельный код, который ис­ пользуется при телеграфировании по кабельным линиям, где уровень помех мал. Кабельный код позволяет существенно со­ кратить среднюю длительность знака. Однако такой код не при­ меняется в радиосвязи, так как требует трех градаций сигнала по амплитуде (положительная, отрицательная и нулевая посыл­ ки), что нецелесообразно при наличии помех. Кроме того, его нельзя принимать на слух.

Кодовые комбинации кода Морзе получаются значительно длиннее за счет посылок и пауз различной длительности. Это яв­ ляется недостатком данного кода.

Второй недостаток кода Морзе обусловлен различной дли­ тельностью его кодовых комбинаций, что сильно осложняет воз­ можность его применения при работе с буквопечатающей аппа­

24

ратурой. В настоящее время для этих целей код Морзе не при­ меняется.

Достоинствами кода Морзе являются его простота, легкая за­ поминаемость, возможность ручной телеграфии и приема на слух, возможность применения автоматической передающей и приемной аппаратуры (трансмиттер и ондулятор), простота ис­ пользуемых при этом кодирующих и декодирующих устройств. Благодаря указанным достоинствам, код Морзе широко приме­ няется как в гражданской, так и в военной радиосвязи.

При буквопечатающей телеграфии используется равномерный пятиразрядный код. Комбинации этого кода имеют одинаковую длительность и составляются из пяти элементов, причем число различных элементов равно двум, т. е. код является двоичным. Элементы различаются либо по амплитуде (1 и 0), либо по по­ лярности (-j-1 и — 1). Импульсы кода, воздействуя на генератор высокой частоты, изменяют тот или иной параметр радиосигна­ ла. При амплитудной манипуляции изменению подвергается амплитуда сипнала, при частотной манипуляции — частота, при фазовой манипуляции — фаза.

Общее число комбинаций при использовании двоичного пяти­ разрядного кода равно 7V =2:,= 32.

Для передачи телеграфного текста необходимо иметь 78 ком­ бинаций: 57 для букв русского и. латинского алфавитов, 10 для цифр и 11 для знаков препинания. Чтобы решить эту задачу с помощью пятиразрядного кода, одна и та же комбинация путем перевода регистра буквопечатающего аппарата используется для обозначения двух или трех знаков, например, русской буквы, ла­ тинской буквы «.цифры (см. приложение II.2).

В настоящее время широко применяются два различных ва­ рианта равномерного пятиразрядного кода — код Бодо и коды стартстопных аппаратов (СТ-35, СТ-2М и др.). Оба кода явля­ ются равномерными двоичными пятиразрядными, ■и большая часть кодовых комбинаций обоих кодов (для одних и тех же знаков) одинакова. Основная разница состоит в том, что к каж­ дой комбинации кода стартстопных аппаратов в начале и в кон­ це ее добавляется по одному импульсу. Первый импульс (бестоковый) является стартовым импульсом, второй (токо­ вый) — стоповым импульсом. Стартовый и столовый импульсы не входят.в кодовые комбинации « служат для обеспечения син­ хронной и синфазной работы, передающей и приемной частей буквопечатающих аппаратов стартстопного типа (СТ-35, СТ-2М и др.). Пр.и работе с аппаратами типа Бодо необходимости в по­ сылке дополнительных стартового и стопового импульсов не воз­ никает, поэтому в коде Бодо они отсутствуют.

Равномерность кодов существенно упрощает конструкцию буквопечатающих аппаратов, причем для расшифровки радио­ граммы не требуется разделительных пауз, а следовательно, и увеличения средней длительности кодовой комбинации.

25

В данном случае длительность всех кодовых комбинаций оди­

тельностью элементов кода.

Несмотря на сравнительную краткость рассматриваемых ко­ дов, она все же далека от предельно возможной, ибо средняя длительность кодовых комбинаций много больше энтропии рус­ ского языка.. Это объясняется тем, что коды буквопечатающих аппаратов являются равномерными и не учитывают статистики языка. Для передачи любой буквы, независимо оттого, часто она встречается в данном языке или редко, приходится затра­ чивать пять двоичных единиц (Ик = 5 дв. ед/б), т. е. в 2,5 раза больше энтропии русского языка. Коды рассчитаны для передачи равновероятных букв алфавита, которые могут следовать друг за другом в любых комбинациях, без всяких статистических связей. При заданной пропускной способности канала связи ско­ рость передачи информации с применением этих кодов в 2,5 ра­ за меньше той, которая могла бы быть получена при предельно сжатом, т. е. при оптимальном коде.

Ранее указывалось, что оптимальное кодирование принци­ пиально возможно. Некоторые способы построения оптимальных кодов описаны в литературе [3], [4]. Однако до настоящего времени пока не разработаны способы оптимального кодирова­ ния, пригодные для практического применения в радиосвязи.

С задачей кодирования сообщений приходится сталкиваться не только при передаче телеграфных сообщений с использова­ нием рассмотренных кодов. Эта задача возникает также при кодовой связи, т. е. при обмене сообщениями в виде кодовых комбинаций (команд), содержащих сведения о местонахожде­ нии самолета, о погоде, о численности и состоянии войск * и т. п. Такая связь широко применяется в автоматизированных системах управления с использованием вычислительных машин при передаче данных, необходимых для расчетов, осуществляе­ мых машиной, и результатов расчета.

Необходимое число различных комбинаций N может быть образовано различными способами. Если вероятности команд, различны, тогда может оказаться целесообразным применение неравномерного кода с обозначением часто встречающихся команд короткими кодовыми комбинациями, редко ' встречаю­ щихся команд — длинными кодовыми комбинациями. При рав­ ных вероятностях команд целесообразно применять равномер­ ный код. Для образования N комбинаций может быть применен n-разрядный код с основанием >п:

N= m ".

*В дальнейшем кодовые комбинации часто называются командами. Примеры команд: «Прошел контрольный пункт номер 9». «Возвращайтесь на

свой аэродром» и т. п.

26

При заданном числе команд наибольшее количеств") разрядов, соответствует двоичному коду. Повышен,ием основания кода количество разрядов може?г быть уменьшено. Вопрос о выборе основания кода рассматривается ниже (§ 6, гл. III).

Передача команд кодовыми комбинациями уменьшает время действия сигнала, повышает скрытность передачи, облегчает воз­ можность автоматизации связи. Такой вид связи может приме­ няться как при дальней, так и при ближней радиосвязи (напри­ мер, для передачи команд .наведения). Недостатком такого ви­ да связи является сравнительная сложность кодирующих и де­ кодирующих устройств.

Важной характеристикой системы связи является скоростьтелеграфирования (скорость передачи) и пропускная способ­ ность аппаратуры.

Скорость передачи оценивается числом элементарных им­ пульсов, передаваемых в единицу времени. За единицу скорости передачи принята скорость в один бод. Такая скорость соответ­ ствует передаче одного элементарного импульса в секунду. При этом учитываются как токовые, так и бестоковые импульсы. Если длительность элементарного импульса равна т0, тогда ско­ рость передачи равна

т0 = 50 мсек, тогда скорость передачи равна V = 20 бод.

Скорость передачи определяет значение основной частоты манипуляции, которая соответствует частоте колебаний при по­ очередной передаче различных элементов кода друг за другом. Из рис. 2.2 видно, что .основная частота манипуляции в герцах

.равна половине скорости передачи в бодах

Понятия скорости передачи « основной частоты манипуляции справедливы как для равномерных кодов, так и для кода Морзе..

27

СЛОВ,МИН

~ 6 С Г

откуда

V— 76 слов/мин.

Втабл. 2.2 приведены значения пропускной способности раз­ личных систем телеграфирования [5].

Таблица 2.2

Пропускная способность различных систем телеграфирования

Вся поступающая от аппарата информация может быть пе­ редана по каналу связи, если количество 'информации, поступа­ ющей в единицу времени, не превосходит пропускной способно­ сти линии связи. В противном случае пропускная способность канала связи будет определяться линией связи. Так, пропускная способность воздушных и кабельных линий связи при телегра­ фировании постоянным током достигает 70—80 бод, а при вы­ сокой устойчивости не превышает 50 бод. Радиолинии связи в принципе обладают значительно большей пропускной способ­ ностью. Однако в условиях многолучевого распространения про-

•'29