Система связи

1 Структурная схема системы связи

 

Система связи – это  совокупность технических средств  и среды распространения сигналов, обеспечивающих передачу сообщений  от источника к потребителю. Покажем  на рисунке 1 структурную схему системы  связи.

 

 

Рисунок 1.1 – Структурная схема системы связи.

 

Рассмотрим краткий принцип  функционирования структурной схемы  системы связи, взаимодействие блоков:

АЦП – аналого-цифровой преобразователь, в котором выполняются операции дискретизации и квантования  по уровню, с последующим представлением квантованных значений в кодовую  последовательность двоичных символов.

В цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП) производится операция преобразования цифрового в аналоговый сигнал, когда  в соответствие двоичной последовательности определенной длины ставится дискретный отсчет аналогового сигнала.

Статистический кодек, на стороне передатчика устраняет  избыточность источника, на стороне  приемника осуществляет обратное преобразование. В данной схеме у каждого источника  информации свой статистический кодек.

Мультиплексор объединяет потоки данных от разных источников для передачи в одном направлении.

Демультиплексор осуществляет обратную операцию мультиплексированию.

 

2 Определение скорости передачи  информации для дискретного и  расширенного дискретного каналов

 

В дискретной системе связи при  отсутствии помех информация на выходе канала связи (канала ПИ) полностью  совпадает с информацией на его  входе, поэтому скорость передачи информации численно равна производительности источника сообщений:

 

(2.1) 

При наличии помех часть информации источника теряется и скорость передачи информации оказывается меньшей, чем производительность источника. Одновременно в сообщение на выходе канала добавляется информация о помехах.

Поэтому при наличии помех необходимо учитывать на выходе канала не всю информацию, даваемую источником, а только взаимную информацию:

 

 бит/с. (2.2)

На основании формулы имеем

 

или , (2.4)

 

где H¢(x) - производительность источника;

    H¢(x/y) - ²ненадёжность “ канала(потери) в единицу времени;

      H¢(y) - энтропия выходного сообщения в единицу времени;

      H¢(y/x)=H’(n) –энтропия помех (шума) в единицу времени.

 Пропускной способностью канала связи (канала передачи информации) C называется максимально возможная скорость передачи информации по каналу

 

                                    (2.5) 

Для достижения максимума  учитываются все возможные источники  на выходе и все возможные способы кодирования. Таким образом, пропускная способность канала связи равна максимальной производительности источника на входе канала, полностью согласованного с характеристиками этого канала, за вычетом потерь информации в канале из-за помех.

В канале без помех C=max H¢(x), так как H¢(x/y)=0. При использовании равномерного кода с основанием k, состоящего из n элементов длительностью t_э, в канале без помех

 

, при k=2 (2.6)

 бит/c.

 

Для эффективного использования  пропускной способности канала необходимо его согласование с источником информации на входе. Такое согласование возможно как для каналов связи без  помех, так и для каналов с  помехами на основании двух теорем, доказанных К. Шенноном.

1-ая теорема (для канала связи  без помех):

Если источник сообщений  имеет энтропию H (бит на символ), а канал связи – пропускную способность C (бит в секунду), то можно закодировать сообщения таким образом, чтобы передавать информацию по каналу со средней скоростью, сколь угодно близкой к величине C, но не превзойти её.

К.Шеннон предложил и метод такого кодирования, который получил название статистического или оптимального кодирования. В дальнейшем идея такого кодирования была развита в работах Фано и Хаффмена и в настоящее время широко используется на практике для “cжатия сообщений”.

2-ая теорема (для каналов связи  с помехами):

Если пропускная способность  канала равна C, а производительность источника H’(x)<C, то путём соответствующего кодирования можно передавать информацию по каналу связи со скоростью, сколь угодно к C и с вероятностью ошибки, сколь угодно близкой к нулю. Если же H’(x)>C, то можно закодировать источник таким образом, что ненадёжность будет меньше, чем H’(x)-C+e, где e. – сколь угодно малая величина.

Не существует способа  кодирования, обеспечивающего ненадёжность, меньшую, чем H'(x)-C.

К сожалению, теорема К.Шеннона для каналов с шумами(помехами) указывает только на возможность такого кодирования, но не указывает способа построения соответствующего кода. Однако известно, что при приближении к пределу, устанавливаемому теоремой Шеннона, резко возрастает время запаздывания сигнала в устройствах кодирования и декодирования из-за увеличения длины кодового слова n. При этом вероятность ошибки на выходе канала стремится к величине .

Очевидно, что p_э ® 0, когда n×t_э ® ¥, и следовательно, имеет место “обмен” верности передачи на скорость и задержку передачи.

 

3 Понятие модема

 

Для подключения компьютера к Интернету (доступа в Интернет) используется множество технологий — как доступ по телефонной линии, так и с помощью выделенных линий, различных радиотехнологий и даже спутниковых систем. Самый простой способ подключиться к Интернету — с помощью телефонной линии. Для этого используют телефонные модемы, которые кодируют (моделирует) компьютерную информацию, представленную в цифрах, в электрические волны, и наоборот. Модем может подключаться к компьютеру, если он внешний, или быть картой расширения, если он внутренний.

Таким образом, модем (аббревиатура, составленная из слов модулятор-демодулятор) — устройство, применяющееся в системах связи и выполняющее функцию модуляции и демодуляции. Работа модулятора модема заключается в том, что поток битов из компьютера преобразуется в аналоговые сигналы, пригодные для передачи по телефонному каналу связи. Демодулятор модема выполняет обратную задачу. Данные, подлежащие передаче, преобразуются в аналоговый сигнал модулятором модема «передающего» компьютера. Принимающий модем, находящийся на противоположном конце линии, «слушает» передаваемый сигнал и преобразует его обратно в цифровой с помощью демодулятора. Режим работы, когда передача данных осуществляется только в одном направлении, называется полудуплексом (half duplex), в обе стороны — дуплексом (full duplex).

Частным случаем модема является широко применяемое периферийное устройство для компьютера, позволяющее ему  связываться с другим компьютером, оборудованным модемом, через телефонную сеть (телефонный модем) или кабельную  сеть (кабельный модем).

Модемы бывают внутренними (в виде электронной платы, подключаемой к шине ISA или PCI компьютера) и внешними, в виде отдельного устройства. Отличаются модемы с поддерживаемыми протоколами  связи и скоростью модуляции (modulation speed). Она определяет физическую скорость передачи данных без учета исправления ошибок и сжатия данных, которая измеряется количеством бит в секунду (бит/с). Устройство, сочетающее возможности модема и средства для обмена факсимильными изображениями, называется факс-модемом.

 

3.1 Классификация модемов

 

Существуют разные классификации  модемов: по исполнению, по методам  модуляции, по принципу работы, по типу. Ниже приведены основные классификационные  группы модемов с кратким описанием  каждой.

1. По исполнению:

- Внешние — подключаются к COM или USB порту, обычно имеют внешний блок питания (существуют USB-модемы, питающиеся от USB и LPT-модемы).

- Внутренние — устанавливаются внутрь компьютера в слот ISA, PCI, PCMCIA, AMR, CNR

- Встроенные — являются внутренней частью устройства, например ноутбука или док-станции.

2. По принципу работы:

- аппаратные — все операции преобразования сигнала, поддержка физических протоколов обмена, производятся встроенным в модем вычислителем (например с использованием DSP, контроллера). Так же в аппаратном модеме присутствует ПЗУ, в котором записана микропрограмма, управляющая модемом.

- Винмодемы — аппаратные модемы, лишённые ПЗУ с микропрограммой. Микропрограмма такого модема хранится в памяти компьютера, к которому подключён модем. Работоспособен только при наличии драйверов, которые обычно писались исключительно под операционные системы семейства MS Windows.

- Полупрограммные (Controller based soft-modem) — модемы, в которых часть функций модема выполняет компьютер, к которому подключён модем.

- Программные (Host based soft-modem) — все операции по кодированию сигнала, проверке на ошибки и управление протоколами реализованы программно и производятся центральным процессором компьютера. При этом в модеме находится аналоговая схема и преобразователи: АЦП, ЦАП, контроллер интерфейса (например USB).

3. По типу:

- Аналоговые — наиболее распространённый тип модемов для обычных коммутируемых телефонных линий

- ISDN — модемы для цифровых коммутируемых телефонных линий

- DSL — используются для организации выделенных (некоммутируемых) линий используя обычную телефонную сеть. Отличаются от коммутируемых модемов кодированием сигналов. Обычно позволяют одновременно с обменом данными осуществлять использование телефонной линии в обычном порядке.

- Кабельные — используются для обмена данными по специализированным кабелям — к примеру, через кабель коллективного телевидения по протоколу DOCSIS.

- Радио – для доступа используются технологии WiFi и EDGE, а также мобильные телефоны.

- Спутниковые

- PLC — используют технологию передачи данных по проводам бытовой электрической сети.

4. По методам модуляции:

- FSK (Frequency Shift Keying) - является разновидностью частотной модуляции.

- PSK (Phase Shift Keying) - является разновидностью фазовой модуляции

- QAM (Quadrature Amplitude Modulation) – в этом методе квадратурной амплитудной модуляции одновременно изменяются фаза и амплитуда сигнала, что позволяет передавать большее количество информации.

- TCQAM (Trellis Coded QAM) - модуляция с решетчатым кодированием.

 

3.2 Преимущества и недостатки  внешних и внутренних модемов

 

Внешний модем – это  модем, имеющий собственный корпус и блок питания, подключаемый кабелем  к 9 - или 25 - штырьковому разъему СОМ - порта.

Внутренний модем — модем, который устанавливаются внутрь компьютера в слот ISA, PCI, PCMCIA, AMR, CNR.

Как правило, внешние модемы дороже аналогичных внутренних модемов  и имеют как незначительные преимущества, так и недостатки. К несомненному преимуществу внешних модемов относится  простота их физического подключения  к компьютеру. Для установки внешнего модема не потребуется открывать  корпус компьютера, можно легко отсоединить  модем от одного компьютера и подсоединить к другому. Кроме того, каждый внешний  модем имеет так называемую панель индикаторов, по которым можно визуально  диагностировать работу модема. Справедливости ради стоит отметить, что и многие внутренние модемы позволяют программно эмулировать подобную панель с индикаторами, которая может отображаться на экране монитора.

Еще одним преимуществом  некоторых моделей внешних модемов  является возможность ручной регулировки  громкости звука. Для этого, конечно, нужно, чтобы у модема был встроен  динамик. Звук, воспроизводимый модемом, позволяет работать с ним в  режиме обычного телефона — модемы умеют и такое. Но главное, для  чего понадобится этот звук, — это  диагностика процесса установления связи. Те, кто хоть раз выходил  в Интернет, то есть устанавливал с  помощью модема соединение с удаленным  компьютером, знают, что в процессе установления связи модем начинает издавать непонятные звуки, похожие  на шипение. Это не что иное, как  разговор двух модемов между собой. Человеку язык подобного общения  не понятен, зато модемы, прекрасно  понимающие друг друга, договариваются между собой о параметрах связи. В буквальном переводе с английского  такие переговоры называются «рукопожатием». В процессе рукопожатия модемы «выясняют» качество линии связи, «оговаривают»  скорость передачи информации между  ними и много других деталей, без  которых было бы невозможно установить соединение. Возникает вопрос: если человеку непонятен язык общения  модемов, то зачем ему вообще слушать  эти переговоры? Дело в том, что  некоторые модели модемов, не приспособленные  к нашим линиям связи, не способны правильно определять сигнал «занято». В этом случае вы услышите не только шипение (попытку вашего модема разговаривать), но и пробивающийся сквозь него сигнал «занято». Естественно, что работа с таким модемом не доставит удовольствия. Проблемы будут возникать всякий раз при невозможности соединения вследствие занятости абонента. Обнаружив такую особенность модема и, поняв, в чем дело, лучше сразу обменять его на другую модель или, если это возможно, устранить указанную проблему путем настройки.

Конечно, и внутренние модемы позволяют регулировать звук. Однако делать это приходится либо программно, что не всегда удобно, либо подключать модем к звуковой карте и пользоваться регулировкой звука на колонках. В любом случае проблема решается, но проще всего это достигается у внешнего модема с регулировкой звука.

Кроме перечисленных достоинств, внешние модемы имеют и незначительные недостатки. Прежде всего, модем требует  на рабочем столе дополнительного  места, которого постоянно не хватает. Кроме того, большинство внешних  модемов придется включать в сеть с помощью специального адаптера — значит, потребуется еще одна розетка.

Внутренние модемы, как  следует из названия, устанавливаются  в один из свободных слотов на материнской  плате внутри компьютера. Слотов на материнской плате бывает несколько  типов: ISA, PCI, AGP, AMR и CNR. Подавляющее большинство  модемов, выпускаемых в настоящее  время, предназначено для установки  именно в слот PCI. Кстати, именно этих слотов на материнской плате больше всего. Впрочем, можно также встретить  и модемы, предназначенные для  установки в слот ISA. Разницы между  производительностью PCI- и ISA-модемов  нет никакой (хотя многие почему-то думают иначе), поэтому если на материнской  плате есть свободный слот ISA, то можно остановиться и на таких  моделях. Впрочем, стоит отметить, что  после замены материнской платы  на более новую старый модем в этом случае придется выбросить.

Многие модемы с PCI-интерфейсом  называются Soft- или Win-модемами.

Soft-модемы — это урезанные в аппаратной части «классические» модемы. Впрочем, не стоит воспринимать слово «урезанные» как некачественные или недоделанные. Нет, с точки зрения производительности такие модемы ничем не отличаются от обычных модемов. Просто часть функций, которые выполняет обычный модем, в Soft-модемах переложена на центральный процессор. Естественно, что хуже они от этого не становятся, а вот дешевле — да. Урезанными могут быть не только Soft-модемы, но и другие внутренние модемы с PCI-интерфейсом, называемые бесконтроллерными. Разница между ними и Soft-модемами заключается в степени «урезанности». Бесконтроллерные модемы менее урезаны, чем Soft-модемы, и в этом плане больше похожи на обычные модемы. Поэтому, купив такой модем и установив его в компьютер, можно так и никогда не узнать, какой у вас модем: обычный или «бесконтроллерный». Во всяком случае, из документации этого не узнать, да и продавцы в магазине вряд ли помогут. Бесконтроллерные и Soft-модемы налагают определенные условия как на сам компьютер, так и на его операционную систему. Бытует мнение, что использование бесконтроллерных и Soft-модемов требует использования мощного процессора, потому что эти модемы его чересчур нагружают. Однако опыт неоднократного тестирования таких модемов показывает, что это не так и об ограничениях мощности компьютера можно сразу забыть. Более серьезно обстоит дело с возможностью работы такого модема под управлением различных операционных систем. Как правило, все они работают под Windows 98, а вот смогут ли они работать с другой операционной системой — еще вопрос. Поэтому, если работа проводится в Windows 2000, то прежде нужно выяснить, поддерживает ли модем такую операционную систему.

С другой стороны, именно бесконтроллерные и Soft-модемы допускают простое обновление микропрограммы. Сам процесс обновления микропрограммы модема называется «перепрошивкой». Связано это с тем, что микропрограмма, управляющая работой обычного «классического» модема, находится в его ПЗУ (Постоянное Запоминающее Устройство). Говорят, что микропрограмма «зашита» в ПЗУ и, чтобы ее изменить, ПЗУ «перепрошивают». Однако термин «прошивка» корректен только для обычных модемов, у которых действительно есть ПЗУ. У бесконтроллерных и Soft-модемов ПЗУ, как правило, отсутствует (у Soft-модемов его не бывает). Сама же управляющая микропрограмма находится в оперативной памяти компьютера и загружается туда всякий раз при инициализации модема. Соответственно «перепрошивать» такие модемы незачем, а сам процесс обновления микропрограммы заключается в простой процедуре установки новых драйверов.

Кроме упомянутых различий внешние модемы конструктивно ничем  не отличаются от внутренних. Однако, как показывают результаты тестирования модемов, показатели внутренних модемов несколько ниже аналогичных показателей внешних модемов. Поэтому внутренние модемы стоит использовать только на линиях хорошего и среднего качества. В этом случае выбор внутреннего или внешнего модема не принципиален — все зависит от конкретных вкусов. Если же линия страдает сильной зашумленностью, импульсными помехами и прочими неприятными явлениями, то лучше остановиться на «классических» моделях внешних модемов. Стоит отметить, что профессионалы предпочитают использовать «классические» внешние модемы.

В последнее время на нашем  рынке стал появляться еще один тип  внутренних модемов — так называемые AMR- (Audio Modem Raiser) и CNR- (Communication Network Raiser) модемы. По сути такие модемы модемами не являются. Сам модем целиком располагается на материнской плате компьютера, а в специальный AMR- или CNR- слот вставляется небольшая плата, играющая роль интерфейса между компьютером и телефонной линией. Такие модемы стоят очень дешево, но требуют специальной материнской платы. Многие новые материнские платы, имеющие встроенные кодеки AC’97, такие слоты имеют, но не всегда. Поэтому предварительно нужно выяснить, можно ли установить его на данную материнскую плату. Если речь идет об AMR-слоте, следует учитывать, что сам слот поддерживает установку либо аудиокарты, либо модема. Но установить можно только какое-либо одно устройство. В CNR-слот можно устанавливать либо сетевой адаптер, либо модем.

 

4 Кодирование в системах  ПДС

 

4.1 Классификация кодов

 

Эффективное кодирование  – это процедуры направленные на устранение избыточности. К нему относится метод Хаффмана, арифметическое кодирование, метод Шеннона-Фано, равномерное по выходу кодирование.

Арифметическое кодирование  – является методом, позволяющим  упаковывать символы входного алфавита без потерь при условии, что известно распределение частот этих символов и является наиболее оптимальным, т.к. достигается теоретическая граница степени сжатия (рис. 4.1).

 

 

Рисунок 4.1 - Корректирующие коды

 

Корректирующие коды –  коды, которые содержат информацию для обнаружения и исправления  ошибок. Они делятся на блочные и непрерывные. К блочным относятся коды, в которых каждому символу алфавита соответствует блок (кодовая комбинация) из n (i) элементов, где i – номер сообщения. Если n (i) = n, т.е. длина блока постоянна и не зависит от номера сообщения, то код называется равномерным. Такие коды чаще применяются на практике. Если длина блока зависит от номера сообщения, то такой код называется неравномерным. В непрерывных кодах передаваемая информационная последовательность не разделяется на блоки, а проверочные элементы размещаются в определенном порядке между информационными.

Расстояние Хемминга так  же используется в корректирующих кодах.

Кодовое расстояние – это  минимальное расстояние Хемминга между  всеми парами разрешенных комбинаций.

Код Хемминга – групповой (n,k) код, исправляющий одиночные ошибки и обнаруживающий двукратные.

Циклические коды. Данное название происходит от основного свойства этих кодов: если некоторая кодовая комбинация а₁, а₂, … а_{n – 1}, а_n принадлежит циклическому коду, то комбинация а_n, а₁, а₂, … а_{n – 1}; а_{n – 1}, а_n, а₁ … а_{n – 2}, полученная циклической перестановкой исходной комбинации (циклическим сдвигом), также принадлежит данному коду.

Итеративные коды – комбинация двух линейных кодов. Такие коды борются  с группирующимися ошибками.

Каскадные коды – исходная информация последовательно разбивается  на сегменты двоичных элементов. Каждый сегмент является единичным элементом  недвоичного кода (код Рида-Соламона). По правилам недвоичного кода к информационным добавляются недвоичные проверочные элементы. Любое количество ошибок в пределах недвоичного элемента считается однократной ошибкой. Каждый недвоичный элемент защищается недвоичным корректирующим кодом.

Сверточные коды. Они позволяют достичь лучших результатов при одной и той же конструктивной сложности кодера. Сверточные коды относятся к непрерывным кодам – нет деления на кодовые комбинации, выходные элементы зависят от ряда предшествующих (рис. 4.2).

 

 

Рисунок 4.2 – Классификация  кодов

 

 

 

4.2 Эффективное кодирование

 

Эффективнее кодирование  – это процедуры направленные на устранение избыточности. Основной целью является обеспечить в среднем  минимальное количество двоичных элементов  на кодирование одного источника сообщения.

Если требуется закодировать сообщение, записанное с помощью  букв некоторого алфавита А={a_1... a_k}, содержащего К букв; т.е. указать правило, которое сопоставляет каждой букве алфавита последовательность из символов «0» и «1». Выбранный код, во-первых, должен обеспечить возможность однозначного декодирования, т.е. позволить по принятой последовательности символов «0» и «1» однозначно восстановить переданное сообщение (букву). Во-вторых, на передачу сообщения в среднем должно быть затрачено минимальное число «0» и «1», что позволит передать за единицу времени максимальное число сообщений.

Код обладающий тем свойством, что некое более короткое слово не является началом другого более длинного слова кода называется префиксным.

Графическое представление  множества кодовых слов выглядит в виде кодового дерева

Каждому узлу будет соответствовать  двоичная КК, являющаяся узлом от корня  до соответствующего узла.

КК, соответствующие промежуточные  узлы, не могут быть использованы для  представления сообщений, т.к. в этом случае нарушается требование префиксности кода. В качестве разрешённых КК следует выбирать только конечные узлы дерева.

Если имеется дискретный источник, объёмом алфавита К и заданны вероятности А{a_1... a_k}, P(a₁)... P (a_k).

Алгоритм:

1) Сообщения сортируются в порядке убывания вероятностей

2) Два самых маловероятных сообщения объединяются

 

Р= ; (4.1)

 

3) Шаги (1) и (2) повторяются до получения единственного сообщения с Р=1;

4) Строится дерево и проставляются комбинации.

 

 

 

 

 

 

 

5 Циклические коды

 

Свойством всех разрешенных  комбинаций циклических кодов является их делимость без остатка на некоторый  выбранный полином, называемый производящим.

Синдромом ошибки в этих кодах является наличие остатка  от деления принятой кодовой комбинации на производящий полином.

Эти свойства используются при построении кодов, кодирующих и  декодирующих устройств, а также  при обнаружении и исправлении  ошибок.

Представление кодовой комбинации в виде многочлена.

Описание циклических  кодов и их построение удобно проводить  с помощью многочленов (или полиномов).

В теории циклических кодов  кодовые комбинации обычно представляются в виде полинома. Так, n-элементную кодовую  комбинацию можно описать полиномом (n-1) степени, в виде

 

, (5.1)

 

где a_i={0,1}, причем a_i=0 соответствуют нулевым элементам комбинации, а a_i= 1 – ненулевым.

Запишем полиномы для конкретных 4-элементных комбинаций:

 

. (5.2)

 

Способы формирования циклических  кодов.

Найдем алгоритмы построения циклического кода, удовлетворяющего перечисленным выше условиям. Задан полином

 

, (5.3)

 

определяющий исправляющую способность  кода, и задан исходный простой код, который требуется преобразовать в корректирующий циклический.

Обозначим многочлен, соответствующий  комбинации простого кода, Q(x). Возьмем  произведение Q(x)х^r и разделим его на P(x). В результате получим многочлен G(x) и остаток R(x)/P(x):

 

(5.4)

 

Умножим левую и правую части на P(x). В результате получим:

 

. (*) (5.5)

 

перепишем равенство (*) в виде

 

. (**) (5.6)

 

Левая часть (**) делится без остатка на P(x), значит, без остатка делится и правая часть. Таким образом, мы получили два способа формирования кодовых комбинаций циклического кода:

1. Путем умножения многочлена  исходной кодовой комбинации  на производящий полином;

2. Путем деления Q(x)х^r на производящий полином P(x) и приписывания к Q(x)х^r остатка от деления R(x).

Недостатком первого способа является то, что в результате мы получаем неразделимый код (невозможно отделить проверочные элементы от информационных). Поэтому на практике чаще всего применяется второй способ формирования кодовых комбинаций.

Для обнаружения ошибок в  принятой кодовой комбинации достаточно поделить ее на производящий полином. Если принятая кодовая комбинация разрешенная, то остаток от деления будет нулевым. Ненулевой остаток свидетельствует о том, что принятая кодовая комбинация содержит ошибки. По виду остатка (синдрома) можно в некоторых случаях также сделать вывод о характере ошибки и исправить ее.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.1 Построение кодера и декодера циклического кода

 

Кодирующее устройство должно обеспечивать аппаратную реализацию последовательности процессов, определяющих формирование кодовых комбинаций. Для этого необходимо: