5. Содержание отчета
5.1. Принципиальная схема системы ТУ.
5.2. Временные диаграммы работы системы при передаче одной команды ТУ без ошибок и при их наличии.
5.3. Выводы по лабораторной работе.
6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
6.1. Объясните алгоритм образования кода Манчестер II?
6.2. В чем состоит отличие кода Манчестер II от кода без возвращения к нулю?
6.3. Каким образом обнаруживается ошибка в коде Манчестер II?
6.4. Чем объясняется высокая помехоустойчивость кода Манчестер II?
6.5. Укажите достоинства и недостатки исследованной системы ту.
Лабораторная работа № 9
«Исследование системы телеуправления двухпозиционными объектами
с комбинационно-распределительным методом избирания
и использованием корректирующего кода Хэмминга»
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1. Изучение функциональной схемы системы телеуправления (ТУ) двухпозиционными объектами с комбинационно-распределительным методом избирания и использованием корректирующего кода Хэмминга.
1.2. Исследование системы ТУ с корректирующим кодом Хэмминга.
2. Основные теоретические положения
Известно [1], что основные методы избирания сигналов подразделяются на циркулярные и комбинационные. Комбинационные методы отличаются от циркулярных тем, что для передачи сообщений применяется кодирование. Под кодированием понимают процесс преобразования элементов сообщения в соответствующие им числа (кодовые символы). Каждому элементу сообщения присваивается определенная совокупность кодовых символов, которая называется кодовой комбинацией. Совокупность кодовых комбинаций, обозначающих дискретные сообщения, называется кодом. При этом для повышения надёжности передачи информации могут применяться коды с обнаружением и исправлением ошибок. К таким кодам, в частности, относится корректирующий код Хэмминга [2-5], позволяющий исправлять одиночные ошибки.
При образовании корректирующего кода Хэмминга в качестве исходного кода берётся двоичный код на все сочетания. Количество возможных комбинаций двоичного кода определяется формулой:
M = 2k,
где 2
– основание кода или число символов
алфавита («0»; «1»);
k
– число разрядов кода или длина кодовой
комбинации.
В коде Хэмминга k – это число информационных символов, к которым добавляются m контрольных символов. В результате длина комбинации кода Хэмминга составляет
n = k + m.
При передаче сообщения по КС с помехами может быть искажен любой из n символов кода, или комбинация может быть передана без искажений. Таким образом, может быть (n + 1) вариантов передачи кодовой комбинации, включая её передачу без искажений. С помощью m контрольных символов можно описать 2m событий в двоичном коде. Следовательно, для выбора числа контрольных символов m должно выполняться условие:
2m n + l = k + m + 1,
в частности, при k = 3 получим m = 3.
Для удобства обнаружения искаженного символа контрольные символы размещают на позициях, кратных степени «2», т.е. 1, 2, 4, 8 и т.д., считая слева- направо.
Так, для шестиэлементной кодовой комбинации (n = 6) контрольные и информационные символы располагаются в следующем порядке:
ml m2 k3 m3 k2 k1,
причём k3 – старший разряд исходного двоичного кода; k1 – младший разряд.
Выявление того, какой символ должен стоять на контрольной позиции («1» или «0») производится по информационным символам при помощи проверки на чётность. Для этого используются комбинации двоичного кода на все сочетания, которые записываются последовательно (табл. 9.1). При этом комбинация, состоящая из одних нулей, не используется.
Таблица 9.1
Разряды двоичных чисел |
Символы кода Хэмминга |
||
3 (m3) |
2 (m2) |
1 (m1) |
|
0 |
0 |
1 |
m1 |
0 |
1 |
0 |
m2 |
0 |
1 |
1 |
k3 |
1 |
0 |
0 |
m3 |
1 |
0 |
1 |
k2 |
1 |
1 |
0 |
k1 |
В табл. 9.1 записаны комбинации двоичного кода и сверху вниз (в 4-м столбце) проставлены символы комбинаций кода Хэмминга. Из этой таблицы составляется проверочная таблица кода Хэмминга (табл. 9.2), которая состоит из трех строк.
Таблица 9.2
m1 |
k3 |
k2 |
m2 |
k3 |
k1 |
m3 |
k2 |
k1 |
В первую строку таблицы записываются символы, напротив которых стоят единицы в младшем (первом) разряде комбинаций двоичного кода. Так, в комбинациях 001, 011 и 101 единицы находятся в младших разрядах, и поэтому в первую строку проверочной таблицы записываются символы m1, k3 и k2.
Во вторую строку проверочной таблицы записываются символы, напротив которых стоит единица во втором разряде двоичного числа. Так комбинации 010, 011 и 110 содержат во втором разряде «1», и поэтому во вторую строку будут записаны символы m2, k3 и k1.
В третью строку таблицы записываются символы, напротив которых стоят единицы в третьем разряде двоичных комбинаций.
Число проверок, а значит и число строк этой таблицы, равно числу контрольных символов m.
Нахождение состава контрольных символов при помощи проверок производится следующим образом. Суммируются информационные символы, входящие в каждую строку табл. 9.2. Если сумма единиц в данной строке четная, то значение символа m, входящего в эту строку, равно «0», если нечетная, то «1». Таким образом, по первой строке определяется значение m1, по второй – m2, а по третьей – m3.
В табл. 9.3 представлены комбинации двоичного кода на все сочетания и соответствующие комбинации кода Хэмминга, составленные на основании вышеизложенного правила.
Таблица 9.3
Десятичный эквивалент |
Комбинации двоичного кода |
Комбинации кода Хэмминга |
1 |
001 |
010101 |
2 |
010 |
100110 |
3 |
011 |
110011 |
4 |
100 |
111000 |
5 |
101 |
101101 |
6 |
110 |
011110 |
7 |
111 |
001011 |
Для проверки правильности принятой комбинации снова используется проверка на четность по строкам табл. 9.2. Если комбинация принята без искажений, то сумма единиц по модулю 2 даст ноль. При искажении какого-либо символа суммирование при проверке даст единицу. По результатам суммирования каждой из проверок составляется двоичное число, указывающие на место искажения. Например, первая и вторая проверки показали наличие искажения, а суммирование при третьей проверке дало ноль. Записываем число 011, которому в десятичной системе счисления соответствует цифра 3, это означает, что в третьем символе кодовой комбинации (считая слева-направо) возникло искажение, поэтому этот символ нужно исправить на противоположный (инвертировать).
В настоящей лабораторной работе исследуется система ТУ двухпозиционными объектами с комбинационно-распределительным методом избирания и использованием корректирующего кода Хэмминга. Функциональные схемы передающей и приёмной частей системы ТУ представлены на рис. 9.1 и рис. 9.2.
Временные позиции формируются распределителем Р1 на передающей стороне и Р2 – на приёмной. Распределители работают синхронно и синфазно.
Для синхронизации распределителей применена жесткая синхронизация от промышленной сети переменного тока. Тактирующие импульсы, питающие распределители Р1 и Р2, вырабатываются формирователями тактовых импульсов (ФТИ). ФТИ выполняют преобразование напряжения синусоидальной формы в прямоугольные импульсы. Для установки всех триггеров системы в исходное состояние при включении питания используется генератор одиночных импульсов (ГОИ), формирующий импульс сброса необходимой длительности. Выполнить принудительный сброс триггеров можно также кнопкой «Уст. 0».
Принцип работы передающей части системы ТУ заключается в следующем. С помощью тумблеров K1…K7 задаётся одна из семи команд управления в десятичном коде. Эта команда поступает на шифратор с целью её преобразования в двоичный трехпозиционный код. Закодированная команда управления, при наличии разрешающего сигнала с выхода 8 распределителя Р1, записывается в RS-триггеры. Информационные символы, записанные в RS-триггеры, распределяются во времени в соответствии с кодом Хэмминга с помощью распределителя Р1 и передаются в линию связи (ЛС) на временных позициях 1, 2 и 4. Одновременно с этим, с помощью элементов «ИЛИ» и Т-триггеров, формируются контрольные символы из информационных. На этих элементах реализован шифратор, преобразующий, с помощью распределителя Р1, информационные символы в контрольные. При этом на счётные входы Т-триггеров сигналы поступают с выхода логических вентильных элементов только во время выделения информационных символов на позициях 1, 2 и 4. Получаемые на выходах Т-триггеров контрольные символы, передаются в ЛС на временных позициях 3, 5 и 6 с помощью логических вентилей «И». Т.о., за шесть тактов работы распределителя формируется и передаётся в ЛС комбинация кода Хэмминга. Объединение сигналов, формируемых на временных позициях 1…6, выполняется четырёхвходовым элементом «ИЛИ». Линейное устройство (ЛУ) обеспечивает необходимое усиление полученного сигнала и согласование выхода схемы с ЛС. Временная позиция 7 используется для сброса RS- и Т-триггеров схемы после передачи всей кодовой комбинации в ЛС.
Принцип работы приёмной части системы ТУ заключается в следующем. Приходящие из ЛС информационные символы поступают на элементы совпадения «И» и, проходя через элементы «ИЛИ», записываются в Т-триггеры синхронно с сигналами, формируемыми на выходах 1, 2 и 4 распределителя Р2. Однако, до появления разрешающего импульса с выхода 8 распределителя Р2, управляющего логическими вентилями, двоичная комбинация не поступает на вход дешифратора, т.к. блокируется логическими элементами «И». После проверки на чётность и исправления искажения (если оно имело место) комбинация, полученная на выходах Т-триггеров, преобразуется дешифратором в одну из семи команд ТУ и сохраняется запоминающими элементами ЗЭ1…ЗЭ7.
Схема проверки на чётность реализована на трёхвходовых элементах «ИЛИ» и Т-триггерах. Состояние этих триггеров преобразуется дешифратором в десятичный код, позволяющий исправить одиночную ошибку. При этом используются только те выходы дешифратора, которые соответствуют информационным символам, т.к. исправлять контрольные символы не имеет смысла. Если при передаче по ЛС искажений символов не было, то на всех выходах дешифратора будут присутствовать сигналы лог. «0». При наличии искажения одного из символов кода Хэмминга на одном из выходов дешифратора появится сигнал лог. «1». Например, если одиночное искажение произошло на второй временной позиции (изменилось значение информационного символа k2), то на выходе 5 дешифратора будет сигнал лог. «1». Это объясняется тем, что исходная кодовая комбинация вида ml m2 k3 m3 k2 k1 передаётся в обратной последовательности, т.е. в виде k1 k2 m3 k3 m2 m1.
Исправление искажённого символа осуществляется на 7 временной позиции распределителя Р2 после проверки на четность. Так, например, если произошло искажение символа, расположенного на второй временной позиции, то уровень лог. «1» поступит на счётный вход Т-триггера с выхода элемента «ИЛИ» и переключит его состояние противоположное предыдущему. Сигнал с выхода 8 распределителя Р2 управляет логическими вентилями «И» и разрешает снятие информации с выходов Т-триггеров для дешифрации её в десятичное число. На одном из выходов дешифратора появляется сигнал, который поступит на ЗЭ для записи и хранения полученной команды. Через исполнительные элементы (на схеме не показаны) получит питание соответствующая сигнальная лампа, имитирующая состояние объекта ТУ.
Временная позиция 9 распределителя Р2 используется для сброса всех Т-триггеров схемы после исправления кодовой комбинации и передачи команды на объекты ТУ.