Рассматриваемый алгоритм работы системы называется алгоритмом с ожиданием, а сама система передачи дискретных сообщений – системой с решающей обратной связью и ожиданием (РОС-ОЖ). Такие системы довольно часто используются для передачи дискретных сообщений. Основное их достоинство – простая техническая реализация. К недостаткам следует отнести существенные потери скорости передачи информации, источником которых, помимо введенных в кодовую комбинацию проверочных элементов и переспросов, являются потери на ожидание ответа со стороны приемника.

В системах с РОС и непрерывной передачей информации отсутствуют потери на ожидание. В этих системах при обнаружении ошибок в принятой кодовой комбинации производится повторение этой комбинации и ряда других, примыкающих к ней. Для уменьшения потерь на переспросы иногда по каналу обратной связи передается адрес (номер) кодовой комбинации, которую нужно повторить. Такой метод применяется в системах с РОС и адресным переспросом. Однако непрерывная передача информации и тем более адресный переспрос требуют существенного усложнения аппаратуры передачи данных, что в свою очередь приводит к ее удорожанию и снижению надежности.

В простейших системах с ИОС для передачи информации по прямому каналу можно использовать простые коды (без избыточности) и тогда обратный канал должен иметь такую же пропускную способность, что и прямой.

В системах с РОС любого типа по обратному каналу передаются только сигналы решения и обратный канал имеет существенно меньшую пропускную способность.

Возможность использования низкоскоростного канала в качестве обратного – существенное преимущество систем с РОС, делающее их применение на практике более предпочтительным по сравнению с системами с ИОС.

Контрольные вопросы

1. Какие методы защиты от ошибок вам известны?

2. Сформулируйте вторую теорему Шеннона.

3. Каково необходимое условие для того, чтобы код был способен обнаруживать ошибки?

4. В чем отличие понятий расстояние Хемминга и кодовое расстояние? Какова связь между кратностью обнаруживаемых и исправляемых ошибок и кодовым расстоянием?

5. Какие коды называются линейными? Как они задаются?

6. Как происходит обнаружение (исправление) ошибок в случае линейного кода?

7. Чем отличаются циклические коды от линейных? Как строятся кодовые комбинации циклического кода? Как построить производящую матрицу циклического кода?

8. Как происходит обнаружение (исправление) ошибок в случае циклического кода?

9. Зачем используются системы с обратной связью? Охарактеризуйте системы с ИОС и РОС.

10. Приведите алгоритм работы системы с РОС-ОЖ. Каковы достоинства и недостатки систем с ИОС и РОС?

Глава 3. Устройства преобразования сигналов

3.1. Назначение и классификация устройств преобразования сигналов

Устройства преобразования сигналов предназначены для формирования и приема сигналов, непосредственно передающихся по каналу связи. Совместно с каналом связи УПС образуют дискретный канал.

В зависимости от скорости передачи информации различают низкоскоростные УПС – скорость передачи информации до 300 бит/с; среднескоростные обеспечивают работу со скоростями выше 300 бит/с (это скорости 600, 1200, 2400, 4800, 7200, 9600 … 56000 бит/с) по стандартному телефонному каналу; высокоскоростные обеспечивают работу по каналам первичной, вторичной и третичной широкополосных групп. Скорости передачи информации в этих каналах составляют соответственно десятки, сотни и тысячи килобит в секунду.

В низко- и среднескоростных УПС до 1200 бит/с используется частотная модуляция. Для работы со скоростью 2400 бит/с и выше уже применяется фазовая (относительная фазовая) и амплитудно-фазовая модуляции.

Спектр двоичных единичных элементов, поступающих на вход УПС с выхода кодера канала, лежит в диапазоне 0-F_max (где F_max – максимальная частота спектра, определяемая длительностью единичного элемента). В то же время полоса пропускания канала находится в диапазоне F^*_min – F^*_max, где F^*_min, как правило, больше нуля, отсюда вытекает задача номер один – задача преобразования исходного спектра таким образом, чтобы сигнал «прошел» через канал (задача переноса исходного спектра в диапазон F^*_min – F^*_max). Кроме этого надо сформировать сигнал, посылаемый в канал связи так, чтобы обеспечить достаточно высокую скорость передачи информации (бит/с) в канале связи и при этом получить достаточно высокую помехоустойчивость. Поставленные требования противоречивы, что интуитивно понятно.

Задача проектирования УПС, как и любого другого узла аппаратуры ПДС, является оптимизационной задачей. При этом отыскивается наилучший по некоторому критерию вариант преобразования сообщений на передаче и приеме при заданных ограничениях. Такими ограничениями обычно выступают характеристики сообщения, канала связи и требования к характеристикам дискретного канала. В качестве критерия оптимизации обычно выбирается одна из характеристик дискретного канала: верность, скорость, задержка передачи сообщения или сложность УПС. В инженерной практике создаются УПС, более или менее близкие к теоретически оптимальным, но обязательно удовлетворяющие всем требованиям к характеристикам дискретного канала.

3.2. Дискретный канал с амплитудной модуляцией

Структурная схема дискретного канала с амплитудной модуляцией (АМ) приведена на рис. 3.1.

ПУ

Рис. 3.1

Модулирующий сигнал (0 или 1), отображающий передаваемое сообщение, поступает на модулятор (М), куда одновременно от генератора (Г) подается несущее колебание . Амплитудный модулятор представляет собой ключ, управляемый модулирующим сигналом. Единице на входе модулятора соответствует наличие несущей на его выходе, нулю – отсутствие. Полосовой фильтр передачи (ПФ_пер) ограничивает спектр сигнала, подаваемый в канал связи. Ограничение спектра передаваемых частот с помощью ПФ_пер уменьшает взаимное влияние каналов в многоканальной аппаратуре с частотным разделением каналов.

Полосовой фильтр приема (ПФ_пр) выделяет полосу частот, в которой должен располагаться полезный сигнал, что позволяет избавиться от помех, находящихся вне полосы пропускания ПФ_пр. В многоканальной аппаратуре с частотным разделением каналов ПФ_пр служит для выделения сигнала данного канала из группового сигнала. Усилитель (УС) служит для усиления и поддержания совместно со схемой автоматического регулирования усиления (АРУ) постоянного уровня сигнала на входе демодулятора (Д). В демодуляторе происходит превращение АМ сигнала в модулирующий сигнал (выделение огибающей). Обычно в качестве демодулятора используется двухполупериодный выпрямитель. Фильтр нижних частот (ФНЧ), включенный на выходе демодулятора, подавляет высшие гармоники выпрямленного сигнала и остатки несущей частоты. После ФНЧ включено пороговое устройство (ПУ), на выходе которого принятый модулирующий сигнал приобретает прямоугольную форму.

Достоинством систем с АМ является сравнительная простота реализации. Однако вследствие низкой помехоустойчивости и чувствительности к быстрым изменениям уровня сигнала, действие которых не может быть скомпенсировано из-за инерционности системы АРУ, системы с АМ применяются в последнее время весьма редко.

3.3. Дискретный канал с частотной модуляцией

Структурная схема дискретного канала с частотной модуляцией (ЧМ) приведена на рис. 3.2.

Рис. 3.2

Назначение элементов схемы ПФ_пер и ПФ_пр в этой схеме такое же, как и в схеме системы с АМ.

В зависимости от вида модулирующего сигнала (0 или 1) в канал посылается частота f₁(для 1) и f₂(для 0) (f₂ > f₁). Обычно в качестве частотного модулятора используют генератор, частота которого может изменяться без разрыва фазы. Это условие обеспечивает меньшую ширину спектра сигнала по сравнению со способом частотной модуляции с разрывом фазы, при котором модуляция реализуется путем переключения двух генераторов с разными частотами. По указанной причине частотная модуляция с разрывом фазы практически не используется.

Переходные процессы, возникающие при передаче сигналов в полосовых фильтрах и канале, приводят к искажению формы сигналов (паразитная АМ). Усилитель усиливает приходящий сигнал для обеспечения правильной работы ограничителя амплитуды (ОА). Ограничение амплитуды сигнала частотной модуляции позволяет в значительной степени компенсировать искажение формы сигнала. Введение ограничителя оказывается возможным, так как при ЧМ амплитуда сигнала не является информационным параметром.

Один из вариантов демодулятора ЧМ сигналов использует представление ЧМ сигнала в виде суммы АМ сигналов. Такая схема получила в литературе название двухполосной схемы приема по огибающей. Принцип работы такого демодулятора ясен из приведенной на рис. 3.3 упрощенной структурной схемы.

ПФ₁

СС

Рис.3.3

В верхнем тракте демодулятора выделяется огибающая сигнала с частотой f₁, в нижнем – с частотой f₂. В каждом тракте имеются полосовые фильтры, один из которых (ПФ₁) настроен на частоту f₁, а другой (ПФ₂) на частоту f₂. При широкополосной ЧМ, когда спектры сигналов с частотами f₁ и f₂ практически не перекрываются, происходит разделение сигналов по частоте. Амплитудные демодуляторы (Д₁ и Д₂) совместно с фильтрами нижних частот (ФНЧ₁ и ФНЧ₂) выделяют огибающие сигналов. Сигналы трактов сравниваются в схеме сравнения (СС), и в зависимости от того, какой из сигналов больше, принимается решение о том, какой из двух сигналов (0 или 1) передавался.

Способы приема в зависимости от метода выделения модулирующего сигнала можно разделить на две группы: когерентные и некогерентные. При когерентном детектировании используются опорные сигналы, представляющие собой точные копии передаваемых (с точностью до начальной фазы). При некогерентном детектировании сведения о начальной фазе несущей частоты не учитываются. Оба вида детектирования могут применяться при любых видах модуляции. Однако из-за большой сложности реализации когерентные методы практически не применяются при АМ и ЧМ, а используются только при фазовой модуляции в сочетании с противоположными сигналами, что позволяет получить выигрыш в помехоустойчивости. Поэтому для АМ и ЧМ сигналов были рассмотрены только некогерентные методы приема.

Некогерентный метод приема сигналов АМ и ЧМ обеспечивает одинаковую помехоустойчивость, если исходить из среднеэнергетических затрат. При ЧМ средняя мощность равна максимальной, а при АМ – вдвое меньше максимальной, поскольку при АМ передается только один сигнал. Однако системам с АМ по сравнению с системами с ЧМ присущ серьезный недостаток: для получения одинаковой помехоустойчивости необходимо для каждого отношения сигнал/помеха оптимизировать порог, что при быстрых изменениях уровня сигнала АРУ не в состоянии полностью обеспечить. В системе с ЧМ производится сравнение разности огибающих частот f₁ и f₂ с нулевым порогом, не зависящим от отношения сигнал/помеха, и за счет этого получается значительный выигрыш в верности. Этим и объясняется более широкое применение систем с ЧМ. Системы с АМ и ЧМ «прозрачны», т.е. обеспечивают передачу как изохронных, так и анизохронных сигналов.