Устройство защиты от ошибок

Предположим, что ошибки на интервале  времени распределены равномерно, а  временной интервал между ошибками в среднем превышает длину  блока, тогда число повторно переданных блоков определим по формуле:

        (1.11)

Величина N_б представляет собой верхнюю границу числа повторно переданных блоков. Следовательно, оценка нижней границы эффективной скорости может быть получена на основе (1.4) с учетом (1.5):

        (1.12)

Как видно из (1.12), эффективная скорость зависит от значения вероятности ошибочного приема по единичным элементам Р_о, количества проверочных r и служебных n_сл бит и от длины блока n_б (зависимость от n_б нелинейная). Задаваясь рядом значений n_б при фиксированных Р_о, r и n_cл, можно построить график зависимости V_эф от n_б и найти оптимальное значение длины блока.

Для повышения эффективности передачи данных метод кодирования следует  выбирать таким образом, чтобы заданная помехоустойчивость обеспечивалась при  минимальном числе проверочных  элементов r, то же относится и к служебным знакам. Величина r зависит от используемого кода, который выбирается исходя из требуемой вероятности ошибочного приема кодовой комбинации Р_кк и характера ошибок в дискретном канале.

Передача сообщений от отправителя  к получателю обычно осуществляется поблочно. Блок может содержать десятки  и сотни символов (кодовых комбинации). Увеличение длины блока ведет  к повышению числа проверочных  элементов r, однако r увеличивается значительно медленнее n_б. Поэтому, если необходимо обеспечить максимальную эффективную скорость передачи информации, то нужно увеличивать длину блока. Оптимальная величина блока определяется из графика зависимости V_эф = φ(n_б) при фиксированных Р_о , n_сл и r (это увеличение длины блока приводит к увеличению задержки выдачи информации получателю и усложняет аппаратурную реализацию СПД).

На практике рекомендуется использовать информационные блоки длиной k бит, выбираемые из ряда 120, 240, 480, 960 бит [5]. Приемлемой эффективной скоростью считается V_эф = (0,90÷0,95)V, бит/с.

С целью предотвращения потери блока  или вставки (повторно переданного  одного и того же блока) каждому блоку  при передаче следует присваивать  определенный порядковый номер НБ, а на приемной стороне контролировать соблюдение очередности их поступления. При этом необязательно делать сквозную нумерацию блоков для всего передаваемого  массива. Количество номеров должно быть на единицу больше числа повторяемых  блоков при обнаружении ошибок, то есть достаточно через определенный цикл (3-6 блоков) циклически повторять  эти номера. Например: № 1, № 2, № 3, № 4, № 1, № 2 и т. д. Это позволит уменьшить  число элементов n_N, выделяемых для кодирования номеров блоков.

Кроме НБ в блок могут быть введены  комбинации, обозначающие начало НТ и  конец КТ блока, состоящие из n_н и n_к бит соответственно. Эти комбинации для кода, используемого для передачи данных [5], имеют стандартные значения: НТ – 0000010 и КТ – 0000011. Во многих практических случаях знаки НТ и КТ вводят в состав информации, формируемой отправителем, и нет необходимости формировать их в СПД. Тогда признаком начала блока может быть комбинация НБ, а прием номера следующего блока свидетельствует об окончании предыдущего.

В состав служебных символов блока  может входить фазирующая кодовая  комбинация (ФК), состоящая из l единичных элементов, которая служит для обеспечения синхронного переключения передающего и приемного распределителей. Таким образом, формат блока сообщения в канале связи имеет вид, показанный на рис. 1. Количество служебных бит n_сл равно сумме n_сл = n_н+n_к+l+n_N.

Исходя из всего выше изложенного, примем следующие утверждения:

а) признаком начала блока является комбинация НБ, а прием номера следующего блока свидетельствует об окончании предыдущего;

б) количество номеров блоков должно быть на единицу больше числа повторяемых  блоков при обнаружении ошибок, что  позволит уменьшить число элементов  n_N, выделяемых для кодирования номеров блоков;

Рисунок 1.1 – Типовой формат блока сообщения

 

Оптимальная длина блока может  быть найдена путем построения зависимости  V_эф/V = φ(n_б) при заданных значениях Р_по , r и n_сл.

Задаваясь рядом значений n_б = 200, 300 …1600, а также значением n_сл = 24, при фиксированном r = 15, получим график зависимости V_эф/V = φ(n_б), из которого и найдем оптимальное значение длины блока.

Результаты расчетов сведем в таблицу  и построим графики V_эф/V = φ(n_б) (рис. 2).

Таблица 1 – Результаты расчетов зависимости V_эф/V = φ(n_б)

nб	Vэф/V
200	0,78
300	0,8533333
400	0,89
500	0,912
600	0,9266667
700	0,9371429
800	0,945
900	0,9511111
1000	0,956
1100	0,96
1200	0,9633333
1300	0,9661538
1400	0,9685714
1500	0,9706667
1600	0,9725

 

Рисунок 1.2 – График зависимости V_эф/V = f(n_б)

 

По графику видно, что максимум отношения V_эф/V  наблюдается при длине блока 2000 символов, поэтому n_б возьмем как наименьшее значение из рекомендуемого ряда, которое удовлетворяет условие V_эф/V = 0,9÷0,95, n_б = 1023.

1.4 Выбор способа  фазирования по циклу

 

Устройства фазирования по циклу (УФЦ) служат для определения начала блока информации (цикла) в принимаемой  последовательности цифровых сигналов, что необходимо для правильного  декодирования сообщения. Фазирование  по циклам представляет собой процесс  принудительного установления определенного  фазового соотношения между распределителями на передающей и приемной сторонах АПД, при котором первый, переданный в канал связи, бит направляется в первую ячейку приемного регистра, второй — во вторую и т. д. Для  осуществления процесса фазирования  на приемной стороне необходимо иметь  сведения о фазе передающего распределителя. В отличие от поэлементной синхронизации  эти сведения необходимо посылать на приемную часть АПД в начале передачи, либо в течение всего сеанса связи. Способы фазирования по циклам можно разделить на две группы.

Безмаркерные (с одноразовым запуском), при которых во время передачи информации фазирующие сигналы (маркеры) не передаются, а фазирование осуществляется за счет выдачи в канал специальной  фазирующей последовательности перед  началом передачи сообщения и  в паузах между передачей отдельных  блоков информации.

Маркерные (с непрерывной синхронизацией), при которых в течение всего  сеанса связи по каналу совместно  с информационными сигналами  передаются специальные кодовые  комбинации (маркеры), используемые для  фазирования АПД по циклу.

Также различают синхронные и стартстопные способы фазирования. В синхронных — циклы фиксированной длины  следуют непрерывно друг за другом, в связи с чем их начало и  конец в сфазированном приемнике  заранее известны. При стартстопном — цикл может начаться в произвольный момент времени, а длина его —  быть произвольной. В промежутках  между выдачей блоков передающий и приемный распределители находятся  на «стопе». Запуск их происходит под  действием команды «Старт», подаваемой перед началом блока в канал  связи. Команда «Старт» может  быть представлена отдельным сигналом или кодовой комбинацией.

Безмаркерное фазирование реализуется  несколькими способами:

1. Установление необходимой начальной фазы осуществляется путем передачи пусковых (фазирующих) комбинаций. В системах обмена информацией с обратной связью передаваемый синхроблок, состоящий из специальной фазирующей комбинации и дополненный сигналами типа «точки», которые предназначены для быстрого установления синхронизации по элементам, передается на приемную станцию до тех пор, пока по обратному каналу не будет получено подтверждение установления начальной фазы приемного о распределителя.

2. Фазирование с адресно-пусковыми комбинациями. Такой способ применяется в системах обмена информацией, когда один и тот же канал используется для передачи данных нескольким потребителям, имеющим различные адреса. Фазирующий блок при этом способе дополняется адресной комбинацией, причем к структуре адресной части предъявляются такие же высокие требования по помехоустойчивости, как и к пусковым комбинациям.

Маркерные УФЦ (с непрерывной передачей  фазирующих сигналов) в зависимости  от вида маркерной комбинации реализуются  различными способами:

1. Устройства с явно выраженной фазирующей комбинацией, совместимой с информационными символами, входящими в блок. Под совместимостью понимается возможность появления в информационном блоке группы символов, совпадающих с маркерной комбинацией, причем при сбоях цикловой фазы маркеры могут выделяться из информационной последовательности, что приведет к ложному фазированию.

2. Устройства с явно выраженной фазирующей комбинацией, не совместимой с информационной последовательностью. Такие УФЦ называют устройствами с синхронизирующим префиксом. Кодовая комбинация маркера (префикса) выбирается такой, которая не встречается в информационной последовательности, в том числе при сдвиге ее на любое число разрядов. В системах, использующих этот способ фазирования, в информационный блок следует включать дополнительные элементы, исключающие появление в нем маркерных комбинаций.

3. Использование для циклового фазирования избыточной информации, вводимой для повышения верности передачи. В таких УФЦ при нарушениях синфазности переключения распределителей резко увеличивается количество обнаруживаемых ошибок. Разницу между вероятностью ошибок при синфазной работе и реальной частотой ошибок можно использовать для осуществления фазирования по циклам.

Независимо от способа фазирования  любая схема УФЦ должна содержать  блок ввода в передаваемую последовательность маркерной комбинации на передающей стороне и блок выделения этой комбинации в приемнике.

Построение УФЦ зависит от многих факторов: количества бит и структуры  маркера, способов размещения и передачи фазирующих комбинаций в блоке, способов их селекции и др. В то же время, УФЦ  должны быть простыми и надежными  в работе, обеспечивать малое время  фазирования перед началом передачи информационных сообщений и после  перерывов связи, обладать высокой  помехоустойчивостью, исключающей  установление ложной фазы, незначительно  снижать пропускную способность  за счет введения фазирующей информации.

В процессе проектирования устройств  фазирования по циклам необходимо ответить на следующие вопросы:

1) какой выбрать способ фазирования  (маркерный или безмаркерный, синхронный или стартстопный);

2) применить специальную фазирующую  кодовую комбинацию или воспользоваться  синхронизирующими свойствами применяемого  для повышения достоверности  кода?

3) расположить маркерную комбинацию  в начале (конце) блока или использовать l циклов для поразрядной передачи каждого бита l-разрядного маркера?

4) какое количество разрядов  должно содержаться в маркерной  комбинации и какова ее структура?

При непрерывной передаче сообщений или передаче больших  массивов информации в результате различных  возмущающих воздействий, способных  нарушить синфазный режим работы системы, необходимо обеспечить систематический  контроль состояния фазирующих устройств непрерывной передачей в канал маркерных комбинаций. В таких случаях следует применять маркерный способ фазирования.

Если ошибки в дискретном канале имеют независимый характер, то маркерную  комбинацию для более простой  аппаратурной реализации целесообразно  располагать в начале или в  конце блока, а не передавать l-разрядную фазирующую комбинацию за l циклов по одному биту в блоке.

Таким образом, применяем маркерный способ фазирования по циклам с одной фазирующей последовательностью в виде цельного блока в начале передаваемого сообщения.

При выборе маркерной комбинации следует  иметь в виду, что ее длина оказывает  определяющее влияние на вероятности  ложного фазирования Р_лф и пропуска Р_пр. Вероятность Р_лф зависит от числа единичных элементов, входящих в блок. Вероятность ложного выделения маркера из информационной последовательности определяется только его длиной и числом информационных элементов, включая избыточные, в передаваемом блоке информации, а вероятность ложной регистрации фазирующей комбинации на пересечении маркерных и информационных элементов блока зависит от структуры маркерной кодовой комбинации. Для уменьшения вероятности ложного выделения маркера при выборе его структуры необходимо учитывать:

1) структура маркерной комбинации  не должна быть однородной, например  состоящей только из одних  единиц;

2) разряды начала и конца ее  должны быть различными. Например, маркер вида 1011110 нецелесообразно  применять, он имеет одинаковые  комбинации (в начале и конце  его 10);

3) структура фазирующей комбинации  не должна быть строго регулярной, например вида 11110000, так как искажение  даже одного разряда может  привести к образованию ложной  маркерной комбинации, образованной  частью ее разрядов, состоящей  из (l–1) бит и одного разряда двоичной последовательности, входящей в состав блока. Длину маркерной комбинации целесообразно брать кратной байту или полубайту.