Системами передачи дискретной информации с обратной связью (ОС) называют системы, в которых повторение ранее переданной происходит лишь после приема сигнала ОС. Системы с обратной связью делятся на системы с решающей ОС и информационной ОС.

Системы с решающей обратной связью

В приемнике системы правильно принятые комбинации накапливаются в накопителе и, если после приема блока хотя бы одна из комбинаций не будет принята, то формируется сигнал переспроса, единый на весь блок. Повторяется снова весь блок, а в приемнике системы из блока отбираются комбинации, не принятые при первой передаче. Переспросы производятся до тех пор, пока не будет приняты все комбинации блока. После приема всех комбинаций посылается сигнал подтверждения. Получив его, передатчик передает следующий блок комбинаций (системы с адресным переспросом - РОС-АП). Эти системы во многом аналогичны системам с накоплением, но в отличие от последних приемник их формирует и передает сложный сигнал переспроса, в котором указываются условные номера (адреса) не принятых приемником комбинаций блока. В соответствии с этим сигналом, передатчик повторяет не весь блок, как в системе с накоплением, а лишь не принятые комбинации (системы с последовательной передачей кодовых комбинаций - РОС-ПП).

Известны различные варианты построения систем РОС-ПП, основными из которых являются:

Системы с изменением порядка следования комбинаций (РОС-ПП). В этих системах приемник стирает лишь комбинации, по которым решающим устройством принято решение на стирание, и только по этим комбинациям посылает на передатчик сигналы переспроса. Остальные комбинации выдаются в ПИ по мере их поступления.

Системы с восстановлением порядка следования комбинаций (РОС-ПП). От систем РОС-ПП данные системы отличаются лишь тем, что приемник их содержит устройство, восстанавливающее порядок следования комбинаций.

Системы с переменным уплотнением (РОС-ПП). Здесь передатчик поочередно передает комбинации из последовательностей, причем число последних выбирается так, чтобы ко времени передачи комбинаций на передатчике уже был принят сигнал ОС по ранее переданной комбинации этой последовательности.

Системы с блокировкой приемника на время приема комбинаций после обнаружения ошибки и повторением или переносом блока из комбинаций (РОС-ПП).

Системы с контролем заблокированных комбинаций (РОС-ПП). В этих системах после обнаружения ошибки в кодовой комбинации и передачи сигнала переспроса производится контроль на наличие обнаруженных ошибок h -1 комбинаций, следующих за комбинацией с обнаруженной ошибкой.

Системы с информационной обратной связью

Различие в логике работы систем с РОС и ИОС проявляется в скорости передачи. В большинстве случаев передача служебных знаков требуют меньших затрат энергии и времени, чем передача по прямому каналу опознавателей в системе с РОС. Поэтому скорость передачи сообщений в прямом направлении в системе с ИОС больше. Если помехоустойчивость обратного канала выше помехоустойчивости прямого, то достоверность передачи сообщений в системах с ИОС также выше. В случае полной бесшумной информационной обратной связи можно обеспечить безошибочную передачу сообщений по прямому каналу независимо от уровня помех в нем. Для этого надо дополнительно организовать корректировку искажаемых в прямом канале служебных знаков. Такой результат, в принципе, недостижим в системах с РОС распределенного типа. В случае группирующихся ошибок существенную роль играют условия, в которых передаются информационная и контрольная части кодовых комбинаций в обеих системах связи. При использовании ИОС часто имеет место единственная декорреляция ошибок в прямом и обратном каналах.

Важную роль при сравнении передачи сообщений с РОС и ИОС играют также длина используемого кода n и его избыточность s/t. Если избыточность невелика (s/n<0,3), то даже при бесшумном обратном канале ИОС практически не обеспечивает по достоверности преимущества перед РОС. Однако скорость передачи у систем с ИОС по-прежнему выше. Следует указать еще одно преимущество систем с ИОС, обусловленное различием в скорости. Каждому заданному значению эквивалентной вероятности ошибки соответствует оптимальная длина кода, при отклонении от которой скорость передачи в системе с РОС уменьшается. В системах с ИОС при s/n>0,3 передачу сообщений выгоднее вести короткими кодами. При заданной наперед достоверности скорость передачи от этого становится больше. Это выгодно с практической точки зрения, т.к осуществлять кодирование и декодирование при коротких кодах легче. С увеличением избыточности кода преимущество систем с ИОС по достоверности передачи возрастает даже при одинаковых по помехоустойчивости прямом и обратном каналах, особенно если передача сообщений и квитанции в системе с ИОС организована так, что ошибки в них оказываются некорректированными. Энергетический выигрыш в прямом канале системы с ИОС оказывается на порядок выше, чем в системе с РОС. Таким образом, ИОС во всех случаях обеспечивает равную или более высокую помехозащищенность передачи сообщений по прямому каналу, особенно при больших s и бесшумном обратном канале. ИОС наиболее рационально применять в таких системах, где обратный канал по роду своей загрузки может быть без ущерба для других целей использован для эффективной передачи квитирующей информации.

Однако общая сложность реализации систем с ИОС больше, чем систем с РОС. Поэтому системы с РОС нашли более широкое применение. Системы с ИОС применяют в тех случаях, когда обратный канал может быть без ущерба для других целей эффективно использован для передачи квитанций.

При передаче данных по каналам связи всегда возникают ошибки. Причины их могут быть самые различные, но результат оказывается один - данные искажаются и не могут быть использованы на приемной стороне для дальнейшей обработки. Борьба с возникающими ошибками ведется на разных уровнях семиуровневой модели OSI (в основном на первых четырех). Для борьбы с возникающими ошибками известно много различных способов. Все их можно подразделить на две группы: не использующие обратную связь и использующие обратную связь.

В первом случае на передающей стороне передаваемые данные кодируются одним из известных кодов с исправлением ошибок. На приемной стороне, соответственно, производится декодирование принимаемой информации и исправление обнаруженных ошибок. Исправляющая возможность применяемого кода зависит от числа избыточных битов, генерируемых кодером. Если вносимая избыточность невелика, то есть опасность того, что принимаемые данные будут содержать необнаруженные ошибки, которые могут привести к ошибкам в работе прикладного процесса. Если же использовать код с высокой исправляющей способностью (большой избыточностью), то это приводит к необоснованно низкой реальной скорости передачи данных.

Нередко встречаются случаи, когда информация может пере­даваться не только от одного корреспондента к другому, но и в обратном направлении.

В таких условиях появляется возможность использовать обратный поток информации для существенного по­вышения верности сообщений, переданных в прямом направлении. При этом не исключено, что по обоим каналам (прямому и обрат­ному) в основном непосредственно передаются сообщения в двух направлениях («дуплексная связь») и только часть пропускной способности каждого из каналов используют для передачи допол­нительных данных, предназначенных для повышения верности.

Возможны различные способы использования системы с обрат­ной связью в дискретном канале. Обычно их подразделяют на два типа: системы с информационной обратной связью и системы с управляющей обратной связью .

Системами с информационной обратной связью называются такие, в которых с приемного устройства на передающее поступает информация о том, в каком виде принято сообщение. На основании этой информации передающее устройство может вносить те или иные изменения в процесс передачи сообщения: например, повторить ошибочно принятые от­резки сообщения, изменить применяемый код (передав предвари­тельно соответствующий условный сигнал и убедившись в том, что он принят), либо вообще прекратить передачу при плохом со­стоянии канала до его улучшения.

В системах с управляющей обратной связью приемное устрой­ство на основании анализа принятого сигнала само принимает ре­шение о необходимости повторения, изменения способа передачи, временного перерыва связи и передает об этом приказание пере­дающему устройству. Возможны и смешанные методы использо­вания обратной связи, когда в некоторых случаях решение при­нимается на приемном устройстве, а в других случаях на переда­ющем устройстве на основании полученной по обратному каналу информации.

Простейшим по идее методом информационной обратной связи является метод полной обратной проверки и повторения (ОПП). В системах с информационной обратной связью передача информации осуществляется без помехоустойчивого кодирования . При этом принятый сигнал полностью ретранслируется на передающее устройство, где каждая принятая кодовая комбинация сверяется с переданной. В случае их несовпадения передающее устройство передает сигнал для стирания неправильно при­нятой комбинации, а затем повторяет нужную комбинацию. В качестве сиг­нала для стирания применяют специальную кодовую комбинацию, не исполь­зуемую при передаче сообщения.

Функциональная схема такой системы показана на рис. 8.37. Передаваемое сообщение, закодированное примитивным кодом, посылают в канал и одно­временно записывают в запоминающем устройстве (накопителе). Принятая ко­довая комбинация сразу не декодируется, запоминается в приемном накопи­теле и возвращается по обратному каналу на передающую сторону, где она сравнивается с переданной комбинацией. Если они совпадают, то передается следующая кодовая комбинация, в противном случае передается сигнал стирания.

При этом методе окончательный ошибочный прием кодовой комбинации возможен лишь тогда, когда ошибки в принятой комбинации компенсируются ошибками, возникающими в канале обратной связи. Другими словами, для того чтобы некоторый символ в переданной кодовой комбинации был окончательно принят ошибочно, необходимо и достаточно, чтобы, во-первых, произошла ошибка в прямом канале и, во-вторых, при ретрансляции произошла такая ошибка, которая изменит неправильный ретранслируемый символ на действи­тельно переданный. Это позволяет сразу вычислить вероятность необнаружен­ной, а следовательно, и неисправленной ошибки (в расчете на один символ):

где - вероятность ошибки в прямом канале; - вероятность противополож­ной ошибки в канале обратной связи.

Следовательно, если и велики, то система с полной ретрансляцией дает неудовлетворительные результаты. Практически данный метод имеет смысл в тех случаях, когда канал обратной связи обеспечивает весьма высокую вер­ность (например, при передаче сообщений на спутник с Земли), а прямой канал имеет низкую верность (например, при передаче сообщений со спутника на Землю ввиду того, что мощность передатчика на спутнике мала). Существен­ным недостатком системы с полной ретрансляцией является большая загрузка канала обратной связи. Существуют и более сложные системы с информа­ционной обратной связью, в которых используются помехоустойчивые коды.

Наиболее распространены системы с управляющей обратной связью (УОС) при использовании избыточных кодов для обнару­жения ошибок (рис. 8.38). Такие системы часто называют систе­мами с переспросом , или с автоматическим запросом ошибок , или с решающей обратной связью (РОС).

В большинстве случаев это системы дуплексные, т.е. инфор­мация в них передается в обоих направлениях. В кодере переда­ваемое сообщение кодируется кодом, позволяющим с большой вероятностью обнаруживать возникающие в канале ошибки. При­нятый кодовый блок декодируется с обнаружением ошибок. Если ошибки не обнаружены, то декодированный отрезок сообщения поступает к получателю. При обнаружении ошибок блок браку­ется и по обратному каналу передается специальный «сигнал переспроса». В большинстве систем этот сигнал представляет собой специальную кодовую комбинацию, на время передачи которой прерывается поток информации, идущей по обратному каналу. Прием сигнала переспроса вызывает повторение забракованного блока, который для этого хранится в накопителе-повторителе до тех пор, пока по обратному каналу не будет принята очередная кодовая комбинация, не содержащая переспроса.

В системах с решающей обратной связью применяются процедуры обнаружения ошибок и переспроса также называемые решающей обратной связью или обнаружением ошибок с автоматическим запросом повторения (АЗП, ARQ - Automatic Repeat Request ). В этом случае код применяется только в режиме обнаружения ошибок, что позволяет достичь очень низкой вероятности необнаруженной ошибки при незначительном уровне вводимой избыточности.

Для реализации механизма ARQ передаваемые данные организуются в специальные блоки, которые называются кадрами.

С решающей обратной связью (РОС).
Первые два алгоритма широко используются в односторонних системах
передачи дискретной		информацией,	в которых для	передачи	информации
в каком-либо направлении используется канал связи только данного направле-
ния. В таких системах передатчик не получает информацию об изменении со-
стояния канала связи и поэтому работает в одном заранее заданном режиме. На
вход передатчика поступает последовательность двоичных символов, которую
он преобразует в избыточную. В системах, использующих блоковые коды, из-
быточность	вводится		преобразования	поступающих
К- элементных	комбинаций вn -элементные (n ³ K ).				передаче n -

элементных комбинаций по каналу связи в них вносятся ошибки. Решающее устройство системы отождествляет принятую n -элементную комбинацию с одной из 2К переданных или выдает сигнал стирания.

Оценка системы может быть произведенаP ОШ (K ) – вероятностью ошибочного приема, P СТ – вероятностью обнаружения ошибки иР ПР – вероятно-

стью правильного приема. Методика определения указанных вероятностей приведена в .

Алгоритмы передачи информации с ИОС и РОС рассмотрим более -по дробно, так как они чаще всего находят применение на практике.

4.3. Системы передачи цифровой информации с обратной связью

4.3.1. Классификация систем с обратной связью. Системами передачи дискретной информации с обратной связью называют системы, в которых передатчик с приемником соединены прямым и обратным каналами связи, и передатчик при вводе избыточности использует информацию о состоянии прямого канала, получаемую по каналу обратной связи.

В зависимости от назначения ОС различают системы: с решающей обратной связью (РОС), информационной обратной связью (ИОС) и комбинированной обратной связью (КОС).

В системах с РОС приемник по сигналу, соответствующему комбинации из n элементов, принимает окончательное решение на выдачу комбинации в приемник информации (ПИ) или на ее стирание и переспрос. Формируемый в приемнике сигнал подтверждения приема комбинации или сигнал переспроса передается по каналу обратной связи передатчику системы. В зависимости от этого последний либо передает новую комбинацию, полученную от датчика информации (ДИ), либо повторяет ранее переданную. Следовательно, основной особенностью системы РОС является то, что в них право решения принадлежит приемнику, а передатчик лишь управляется приемником с помощью сигналов, передаваемых по каналу обратной связи. Канал обратной связи используется в этих системах для передачи решений, принимаемых приемником по комбинациям, поэтому такая ОС и была названа решающей.

В системах с ИОС обратный канал используется для передачи информации о принятой комбинации или о состоянии канала связи. Информация анализируется передатчиком, и по результатам анализа принимается решение о повторении ранее переданных комбинаций или передаче новых комбинаций, получаемых от ДИ. После этого передатчик передает служебные сигналы о принятом решении, а затем и кодовые комбинации.

Системы с комбинированной обратной связью– это системы, в которых решения о повторной передаче или выдаче комбинации в ПИ могут приниматься и в приемнике, и в передатчике, а канал ОС используется как для передачи решений, принятых приемником системы, так и для передачи информации о принятой комбинации или состоянии канала связи.

Системы с ОС также делятся на системы с ограниченным числом повторений и неограниченным числом повторений.

В системах с ограниченным числом повторений каждая комбинация может повторяться не более r раз, а в системах с неограниченным числом повторений до тех пор, пока не будет принято решение о выдаче этой комбинации в приемник информации.

Системы с ОС, в которых используется информация, содержащаяся в забракованных комбинациях, называются системами с памятью. Если же забракованные комбинации отбрасываются, то системы называются системами без памяти.

В зависимости от способа передачи сигнала ОС различают:

– системы со специальным обратным каналом;

– системы, в которых ОК выделяется методами частотного разделения;

– системы, в которых ОК выделяется методами временного уплотнения;

– системы со структурным разделением, в которых для передачи сигнала ОС используется специальная кодовая комбинация, в приемнике любая разрешенная комбинация (кроме выделенной для сигнала ОС) дешифрируется как сигнал подтверждения, а любая неразрешенная комбинация – как сигнал переспроса.

По типу дискретных каналов различают системы, предназначенные для работы по дуплексным каналам, и системы, работающие по полудуплексным каналам.

По способу функционирования системы с обратной связью делятся на следующие классы: с ожиданием сигнала ОС; с безадресным повторением и блокировкой приемника; с адресным повторением.

Системы с ожиданием после передачи кодовой комбинации либо ожи-

дают сигнал обратной связи, либо передают ту же кодовую комбинацию (блок), но передачу следующей кодовой комбинации(блока) начинают только после получения подтверждения по ранее переданной комбинации.

Системы с блокировкой осуществляют передачу непрерывной последовательности кодовых комбинаций при отсутствии сигналов ОС по предшествующим h комбинациям. После обнаружения ошибок в(h +1)- й комбинации выход системы блокируется на время приемаh комбинаций, в запоминающем

устройстве приемника стираются h ранее принятых комбинаций, и посылается сигнал переспроса. Передатчик повторяет передачу h последних переданных кодовых комбинаций.

Системы с адресным повторением отличает то, что кодовые комбинации с ошибками отмечаются условными номерами, в соответствии с которыми передатчик производит повторную передачу только этих комбинаций.

Обратной связью могут быть охвачены различные части системы

– канал связи, при этом по каналу ОС передаются сведения о принимаемом сигнале до принятия какого-либо решения;

– дискретный канал, при этом по каналу ОС передаются решения, принятые УПС ПРМ на основе анализа единичных элементов сигнала;

– канал передачи данных, при этом по каналу ОС передаются решения, принятые УЗО ПРМ на основании анализа кодовых комбинаций.

Рис. 4.2. Обратная связь в системе передачи дискретной информации

В первом случае для контроля канала связи используют устройства типа детектора качества, которые анализируют те или иные параметры принимаемого сигнала (амплитуду, частоту, длительность) или уровень помех. При этом по каналу ОС могут передаваться команды на изменения параметров передаваемых сигналов: мощности, спектрального состава, темпа передачи, избыточности кода и т.п. На передающей стороне должны быть предусмотрены соответствующие органы воздействия на источники сигналов: регуляторы мощности, корректоры, кодопреобразователи, управляемые сигналами, поступившими по каналам ОС.

Во втором случае в качестве анализатора также обычно используют -де текторы качества, контролирующие амплитуду, или краевые искажения сигнала после демодуляции, или и то, и другое.

В третьем случае анализатором служит УЗО, принимающее решение о наличии или отсутствии ошибок в принятых кодовых комбинациях.

Из изложенного следует, что системы с ОС являются адаптивными: темп передачи информации по каналам связи автоматически приводится в соответствие с конкретными условиями прохождения сигналов.

4.3.2. Система с РОС и ожиданием решающего сигнала(РОС-ОЖ).

Основная особенность этих систем состоит в том, что передатчик, передав n -элементную комбинацию, или ожидает сигнал обратной связи, или повторяет ранее переданную комбинацию. Следующую комбинацию он может переда-

вать лишь после приема сигнала подтверждения по ранее переданной комбинации.

Схема алгоритма и временная диаграмма, с помощью которых поясняется последовательность операций в системе с ожиданием, представлены на рис. 4.3

Рис. 4.3. Схема алгоритма работы системы ПДС с РОС-ОЖ

При поступлении кодовой комбинации с датчика информации производится запись комбинации в накопитель и одновременное кодирование и передача ее в канал связи. Принятая комбинация может быть принята правильно, с необнаруживаемой ошибкой или обнаруживаемой ошибкой. Вероятности этих

исходов определяются корректирующим кодом(в общем случае решающим устройством). Дальнейшее поведение системы не определено однозначно, а зависит от результата анализа принятой комбинации устройством обнаружения ошибок. При отсутствии ошибок или при необнаруживаемых ошибках принимается решение о выдаче комбинации в ПИ и одновременно формируется сигнал подтверждения приема, который передается по каналу обратной связи. После приема сигнала подтверждения передатчик получает от ДИ следующую кодовую комбинацию и передает ее в канал связи. Если кодовая комбинация содержит обнаруживаемую ошибку, то при приеме такой комбинации принимается решение о стирании и формируется сигнал переспроса, который передается по каналу обратной связи. При приеме сигнала переспроса повторно передается комбинация, хранящаяся в накопителе.

На рис. 4.4 показан прием без переспроса (комбинации 1 и 3) и прием после одного переспроса (комбинация 2).

Рис. 4.4. Временные диаграммы работы системы с РОС-ОЖ

Сигналы подтверждения и переспроса, передаваемые по каналу ОС, подвержены воздействию помех. Поэтому возможны такие случаи, когда при передаче сигнала подтверждения будет принят сигнал переспроса и наоборот. В первом случае в ПИ будет выдана одна и та же комбинация, т.е. будет иметь место вставка комбинации, а во втором случае одна из комбинаций, полученных от ДИ, не будет выдана в ПИ, т.е. произойдет выпадение комбинации

Рис. 4.5. Появление сдвига при работе системы ПДС с РОС-ОЖ

На рис. 4.6 показана структурная схема системы с ожиданием. Поступающая с источника информации (ИИ) K-элементная комбинация через сумматор (схему ИЛИ) записывается в накопитель и одновременно кодируется с помощью кодирующего устройства (КУ), после чего полученная n -элементная комбинация подается на вход ДКС. С выхода ДКС эта комбинация поступает на вход решающего устройства (РУ), в качестве которого может использоваться, например, устройство обнаружения ошибок корректирующего кода, устройство анализа сигнала и т.д. В РУ принимается одно из двух решений: либо информационная часть комбинации выдается в ПИ, либо комбинация стирается.

Одновременно с поступлением комбинации в РУ производится ее декодирование (т.е. выделение информационной части) в декодирующем устройстве (ДКУ) и запись полученной k -элементной комбинации на накопитель. При приеме решения на выдачу комбинации в ПИ в блоке управления формируются управляющие сигналы, с помощью которых k -элементная комбинация считывается с накопителя и через ключ (схему И) подается на вход приемника информации. Одновременно БУ подает управляющий импульс на вход устройства формирования сигнала обратной связи(УФС), в котором формируется сигнал подтверждения приема комбинации, подаваемой на вход канала обратной связи (КОС). С выхода КОС сигнал поступает на вход декодера сигнала ОС (ДСОС).

Если приходящий сигнал дешифрирован как сигнал подтверждения, то на вход БУ приемника системы подается соответствующий импульс. БУ производит запрос от ИИ следующей комбинации, которая так же, как и предыдущая, поступает на вход системы и передается в канал связи. Ключ в этом случае закрыт, и ранее переданная комбинация, хранящаяся в накопителях, стирается при поступлении новой.

Рис. 4.6. Структурная схема передачи дискретной информации с РОС-ОЖ

При приеме РУ решения на стирание комбинации хранящаяся в приемном накопителе комбинация стирается, а в УФС формируется сигнал переспроса, который передается по каналу обратной связи. При дешифрировании ДСОС поступающего на его вход сигнала как сигнала переспроса, на вход БУ поступает соответствующий импульс. БУ осуществляет управление элементами передатчика системы таким образом, что производится повторная передача комбинации, хранящейся в накопителе передатчика.

Скорость передачи R системы с ожиданием определяется избыточностью применяемого кода, временем ожидания результатов анализа кодовой комбинации потерей времени на переспросы. В соответствии с временной диаграммой запишем формулу для текущей относительной скорости передачи:

				N ПР
		t ОЖ

где K – число информационных элементов в кодовой комбинации; n – общее число элементов в кодовой комбинации; t 0 = 1 / B ;

B – скорость модуляции, бод;

t ОЖ = 2 t P + t OC + t AИ + t AOC ;

t P – время распространения сигнала по каналу связи; t OC – длительность сигнала ОС;

t AИ – время анализа кодовой комбинации; t AOC – время анализа сигналов ОС;

N ПР – число комбинаций, выданных в ПИ за время t ;

N ПЕР – число комбинаций, переданных по каналу связи за время t . Обозначаем

N ПЕР - N ПР = N CT ,

где N СТ – число комбинаций, стираемых РУ системы за время t . Тогда

N П = N ПЕ - N C = 1 - N C .

N ПЕ N ПЕ N ПЕ

При достаточно больших значениях t величина N СТ / N ПЕР сходится по вероятности к величине P СТ (n ) – вероятности стирания комбинации решающим устройством системы. Следовательно,

				P (n )) .
		t ОЖ

Вероятность ошибочного приема комбинации для системы с ожиданием

	P ОШ	(K ) =		P ОШ
			1 - P CT (n )

где P ОШ (n ) – вероятность выдачи на вход РУ комбинации с ошибкой. Вероятности вставок и выпадений, определяемые выбранным способом

передачи и приема сигналов подтверждения J и переспроса w 1 равны:

P ВСТ » P (w / J ) ;

P ВЫП » P СТ (n )P (J / w ) .

4.3.3. Системы передачи дискретной информации с ИОС-ОЖ. В систе-

мах с ИОС решение на повторение или выдачу в ПИ комбинации(блока) принимается на передатчике по результатам анализа переданной комбинации, также по информации о комбинации, принятой приемником системы по каналу обратной связи. Возможны различные варианты построения систем с ИОС. Рассмотрим простейший вариант.

На рис. 4.7 и 4.8 приведены схема алгоритма и временная диаграмма работы системы с информационной обратной связью.

Полученная от ДИ комбинация записывается в накопитель и одновременно передается в канал связи. Принятая комбинация записывается в приемный накопитель. Следует заметить, что при приеме возможны два исхода– прием комбинации a i , идентичной переданной, и прием комбинации a j , отличаю-

щейся от переданной. Принятая комбинация подвергается некоторому преобразованию, а результат преобразования f (a i ) по каналу ОС посылается пере-

датчику. Примером преобразования может служить линейное кодирование. В этом случае f (a i ) будет вектором, компоненты которого являются избыточ-

ными элементами кодовой комбинации, полученной кодированием a i (систе-

мы с укороченной ОС).

Известен частный случай, когда f (a i ) = a i , т.е. когда по каналу ОС посылается обратно принятая комбинация. Системы, в которых f (a i ) = a i , называ-

ют системами со сравнением, или системы с обратной проверкой(системы с полной информационной связью).

В передатчике системы из переданной		комбинации также формируются
f 1 (a i ) , после чего производится сравнение и,		если f (a i ) = f 1 (a i ) , принимается
решение о правильности приема a i , а если	f (a i ) ¹ f 1 (a i ) – решение о стира-
нии a i на приеме и повторной передачеa i .	Принятое решение по вспомога-

тельному каналу (или по основному при принятии специальных мер разделе-

Рис. 4.7. Схема алгоритма работы системы с ИОС

	t бл t р t аи t ос t р	t с t сл
Из накопителя
Выход ДКС
	f (1)	f(j)		f (2)
Выход КОС	f (1)	f(j)		f (2)

Передача

Рис. 4.8. Временные диаграммы работы системы передачи дискретной информации с ИОС

ния информации и сигналов) передается на приемник. При получении сигнала подтверждения правильности приема комбинации a i последняя передается в

ПИ, а при приеме сигнала стирания – стирается.

Структурная схема системы с ИОС- ОЖ представлена на рис. 4.9. Система работает следующим образом. По команде готовности блока управления(БУ) передатчика источник информации (ИИ) через ключ (К1) передает в дискретный канал (ДКС) комбинацию из К разрядов. Эта комбинация одновременно запоминается в накопителе.

Рис. 4.9. Структурная схема системы передачи дискретной информации с ИОС-ОЖ

На приеме принятая комбинация записывается в накопитель и одновременно поступает в формирователь сигнала обратной связи(ФСОС). Пусть в системе применяется укороченная ОС. Тогда ФСОС формирует r проверочных разрядов, которые по каналу ОС (КОС) помещается на передающую сторону.

Принятая на передающей сторонеr -разрядная комбинация поступает на один из входов устройства сравнения (УС). На второй вход УС из кодера передатчика поступает соответствующая кодовая комбинация как результат кодирования комбинации, хранящейся в накопителе. Таким образом, УС сравнивает поразрядно две r- разрядные комбинации соответствующие одной и той же информационной k- разрядной последовательности. Если в результате сравнения окажется, что ошибка не обнаружена, то УС выдает соответствующий сигнал на блок управления, который в свою очередь даст команду формирователю кодовых комбинаций (ФКК) передать в сторону приемника сигнал подтверждения. После этого БУ разрешает ИИ выдать очередную комбинацию для передачи в ДКС и стирает предыдущую в НК1.

Получив подтверждение с выхода анализатора(А), формирователь сигнала «Норма» выдает команду на вывод информационной комбинации, хранящейся в НК2, приемнику информации (ПИ) через К2 и приемник приступает к

приему из ДКС следующей комбинации, поступающей вслед за сигналом подтверждения.

Если же при сравнении в УС обнаружится ошибка. То УС дает соответствующий сигнал БУ, который выдает команду ФКК на передачу в сторону приемника служебного сигнала стирания, вслед за которым из НК1 будет повторяться передача предыдущей комбинации. При этом К1 закрывается и блокируется поступление новой комбинации из ИИ. Получив сигнал стирание, А закрывает К2 и стирает хранящуюся в НК2 информацию, записывая туда же комбинацию, поступившую вторично за сигналом стирания. Снова производится формирование сигнала ОС, который передается по КОС, и т.д. И так будет продолжаться до тех пор, пока в приемник не поступит сигнал подтверждения.

При полной ИОС в приемнике и передатчике отсутствуют кодеры, и по обратному каналу на УС поступает вся информация, принятая приемником. Очевидно, что при полной ИОС обратный канал должен иметь такую же пропускную способность, что и прямой.

Из рис. 4.8 видно, что время ожидания

t ОЖ = 2 t Р + t АН + t ОС + t C + t СЛ ,

где t ОС – длительность r- разрядной комбинации при укороченной ИОС или

длительность К- разрядной комбинации при полной ИОС;

t СЛ – длительность служебного сигнала, передаваемого по прямому ДКС.

Таким образом, как следует из данного выражения, эффективность использования канала связи в системе с ИОС-ОЖ ухудшается при увеличении длины информационного блока и протяженности линии связи.

4.3.4. Сравнение систем передачи цифровой информации с РОС-ОЖ

и ИОС-ОЖ. В системе с РОС по прямому каналу передается информация комбинации длиной n единичных элементов, а по каналу ОС – служебные комбинации. В системе с ИОС по прямому каналу передаются информационные комбинации длиной К единичных элементов и команды решения по каналу ОС

– проверочные комбинации длиной n-К или К единичных элементов. Выберем

в качестве сравнения системы с РОС и ИОС, использующие помехоустойчивый код (n , K ). Если каналы прямого и обратного направлений передачи одинаковы и ошибки в них независимы, то вероятности трансформации проверочных разрядов в обоих каналах одинаковы.

Поэтому обнаруживающая способность кода не зависит от того, где происходит сравнение проверочных разрядов: на передающей (в системе с ИОС) или на приемной (в системе РОС) стороне системы. Следовательно, при равной безошибочной передаче служебных сигналов системы с ИОС и РОС обеспечивают одинаковую вероятность передачи. Отсюда следует, что и среднее число повторных передач (переспросов) в обеих системах совпадает.

Средняя скорость передачи сообщений по прямому каналу в системах с РОС меньше, чем в системах с ИОС, поскольку в первых с каждым сообщением длиной К дополнительно передается ещеn-К=r проверочных единичных элементов. В системах с ИОС эти проверочные элементы передаются по - об ратному каналу. Если помехоустойчивость обратных каналов выше, чем прямого, то вероятность передачи в системах с ИОС также выше, чем в системах с РОС. Такое положение может иметь место, например, при передаче информации с искусственного спутника Земли(ИСЗ) на Землю, когда обратный канал может быть организован с помощью мощного передатчика и высокоэффективной антенны. В случае группирующихся ошибок в системах с ИОС часто возникает естественная (за счет разноса во времени передачи по прямому и обратному каналу) декорреляция ошибок в прямом и обратном каналах. В системах с РОС информационные и проверочные символы передаются слитно и такая декорреляция отсутствует. Верность передаваемой информации в обоих типах рассматриваемых систем в значительной степени определяется свойствами выбранного кода, обнаруживающего ошибки. При пакетном распределении ошибок верность определяется не только свойствами кода, но и временем блокировки. Объясняется это тем, что приемник, обнаруживая первую ошибку пакета, блокируется на h кодовых комбинаций, благодаря чему часть ошибок этого пакета им не воспринимается. Таким образом, увеличение емкости накопителя передатчика приводит к некоторому увеличению достоверности передачи. Однако при этом снижается пропускная способность системы, так как при запросе приемник блокируется на большее время.

Не выгодны и короткие кодовые комбинации, поскольку для обеспечения заданных корректирующих свойств отношение К /n в них меньше, чем в длинных кодовых комбинациях, т.е. больше относительная адаптивность. Поэтому существуют оптимальные значения длин кодов, которые для каналов с определенными характеристиками и заданными скоростями модуляции обеспечивают максимальную скорость передачи информации.

Исследования показали, что при заданной вероятности передачи оптимальная длина кода в системах с ИОС несколько меньше, чем в системах с РОС, что удешевляет реализацию устройств кодирования и декодирования. Однако общая сложность реализации систем с ИОС больше, чем систем с РОС. Поэтому системы с РОС нашли более широкое применение. Системы с ИОС применяют в тех случаях, когда обратный канал может быть без ущерба для других целей эффективно использован для передачи комбинаций. В заключение следует отметить, что при построении систем на микроконтроллерах вопрос о сложности может не ставиться, так как многие задачи при этом решаются программными методами, не усложняя аппаратуру ПК и КП.

4.3.5. Сравнение эффективности систем с РОС и исправлением ошибок кодом. Для сравнения систем введем коэффициент эффективности, учитывающий как полезный эффект(уменьшение вероятности ошибочного приема), так и затраты на его достижение:

K ЭФФ = log(a / g ) ,

где a = P ОШ . ПР / P ОШ . КОРР – выигрыш в защите от ошибок;

P ОШ . ПР – вероятность ошибки при использовании простого кода;

P ОШ , КОРР – вероятность ошибки при использовании корректирующего

g = g И + g C ; g И , g С – информационная и схемная избыточности соответ-

Величина g И = R ИЗБ / R ПР определяется относительным снижением скоро-

сти передачи за счет использования избыточного кода. При этом считается, что полоса канала остается неизменной. Схемная избыточность g C = m (C ПД / C 0 ) ,

где С ПД – объем аппаратуры с применением корректирующего кода;

Объем аппаратуры при использовании такого кода возрастает примерно в

1,5 раза . Итак, g C » 1,5 .

Пример 4.1. Сравнить эффективность применения кода Хэмминга(7,4), обеспечивающего исправление одной ошибки, и системы с РОС. Примем, что

ошибки независимы и P = 10- 2 . В случае простого кода

		1 - (1 - P ) K		0,04 ;
ОШ . ПР
в случае кода Хэмминга
	1 - (1 - P ) n - nP (1 - P ) n - 1				» 0,003.
ОШ. ИЗБ

Следовательно, выигрыш в верности

a = 0,04 / 0,003 » 13 .

При этом затраты увеличиваются на

g И			r ö							g C = 1,5 .
	= ç1
			K ø

Тогда g = g И + g C = 3,25.

Отсюда коэффициент эффективности в случае применения кода, исправляющего ошибки,

ЭФФ . ОС

ЭФФ . КОД

K ЭФФ . КОД = log(a / g ) = log(13 / 3,25) » 2 .

Теперь рассмотрим эффективность применения системы с РОС. В этой системе используются коды с обнаружением ошибок. Будем исходить из того, что ошибочно принятый знак поступит потребителю только в том случае, когда ошибка на приеме не будет обнаружена. Известно, что вероятность обнаружения ошибок корректирующим кодом гораздо выше, чем вероятность их исправления. Даже при независимых ошибках соотношение между этими вероятностями достигает нескольких порядков. Еще выше это соотношение при пакетных ошибках. Поэтому величина а , определяющая полезный эффект, сильно возрастает по сравнению с кодом, исправляющим ошибки. Естественно, что увеличиваются и затраты как в части дополнительного снижения пропускной способности за счет переспросов, так и за счет увеличения объема аппаратуры. Однако, как правило, выигрыш значительно перекрывает затраты.

При использовании кода (7,4) в режиме обнаружения ошибок можно показать, что обнаруживаются все одно-, двух-, пяти- и шестикратные ошибки, а

также 80 % всех трех- и четырехкратных ошибок. Поэтому при P = 10- 2
					равнаP
ятность необнаруженной							» 0,65 × 10- 5 .
						Н . ОШ
a = 0,04 / 0,65 × 10- 5 » 6000 .
Рассмотрим затраты:
	= (1 +
				N - N × PОШ

где N – количество переданных сообщений;

N /(N - N × P ОШ ) – количество сообщений подлежащих переспросу.

В данном случае P ОШ = 1 - (1 - P 1 )n = 0,07 . Следовательно

1,88 .

В этом случае g C = 2,5 , откуда g = g И + g C = 1,88 + 2,5 = 4,38;

K ЭФФ . КОД = log(a / g ) = log(6000 / 4,38) » 10,2 .

Итак, по сравнению с системой связи, использующей для повышения достоверности код с исправлением одиночной ошибки, система с обратной связью дает выигрыш K / K = 10,2 / 2 = 5,1 раза.

4.3.6. Основные достоинства и недостатки систем с обратной связью. К

ним можно отнести:

– приспосабливаемость (адаптация) к изменяющимся условиям канала, т.е. число повторения неправильно принятых комбинаций должно полностью определяться состоянием канала и автоматически поддерживаться на уровне, необходимом для достоверного прохождения сообщений;

– возможность использования только кодов обнаруживающих ошибки;

– простота схемной реализации кодирующих устройств по сравнению с устройствами, реализующими кодирование с исправлением ошибок.

Единственным недостатком систем с ОС является уменьшение скорости передачи информации в тех случаях, когда ошибки отсутствуют, а обратный канал используется недостаточно эффективно, так как он предназначается только для коррекции ошибок.

5. БОРТОВАЯ ИНФОРМАЦИОННО- ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКАЯ

Бортовые радиоэлектронные системы, используемые в настоящее время на летательных аппаратах различных типов, характеризуются высокой сложностью. Это объясняется тем, что резко возросла сложность задач, решаемых бортовыми радиоэлектронными средствами современных летательных аппаратов. Как для беспилотных, так и для пилотируемых летательных аппаратов характерно то, что такие задачи, как управление полетом, наведения, навигация, контроль состояния бортовых систем и управление ими, которые ранее решались на Земле или с ее участием, выполняются непосредственно на борту различными радиоэлектронными системами.

Успешное выполнение задач, стоящих перед бортовыми радиоэлектронными системами летательных аппаратов, возможно при наличии соответствующей информационно-телеметрической системы, которая предназначена для сбора и представления разнообразной информации в процессе полета и ее распределения между подсистемами летательного аппарата, подготовки необходимой информации для передачи на Землю,иесли это требуется, для отображения экипажу. При этом число разнообразных источников сообщений, информация с которых контролируется информационно-телеметрической системой, может достигать десятков тысяч, причем эти источники распределены во всем объеме, занимаемом летательным аппаратом .

Большое количество и рассредоточенность источников сообщений и бортовых подсистем по всему объему летательного аппарата исключают возможность использования отдельных проводных или кабельных связей для каждого источника и соответствующего потребителя информации прежде всего потому, что объем и вес требуемой кабельной сети становится непомерно большим.

Кроме того, применение индивидуальных линий связи в каждой подсистеме затрудняет организацию их взаимодействия, монтаж, отладку и возможную модернизацию оборудования, создает большие трудности в наращивании ин-

формационно-телеметрической системы. Поэтому современные информацион- но-телеметрические системы летательных аппаратов строятся по магистраль- но-модульному принципу. Он состоит в том, что в бортовой части информаци- онно-телеметрической системы используется единая информационная магистраль (или несколько магистралей), по которой производится необходимый обмен информацией посредством уплотнения каналов(мультиплексирования) этой магистрали. При этом элементы информационно-телеметрических систем выполняются в виде отдельных модулей, что позволяет упростить их монтаж, отладку, модернизацию и обеспечить легкость наращивания системы. Использование единой информационной магистрали придает гибкость структуре ин- формационно-телеметрической системы, упрощает организацию взаимодействия подсистем, позволяет резко уменьшить вес, количество и суммарную длину проводных соединений. Другим важным принципом, используемым в современных информационно-телеметрических системах, является иерархический принцип. В соответствии с ним отдельные блоки системы объединяются на нескольких (обычно на трех-четырех) уровнях иерархии, причем один блок более высокого уровня иерархии управляет несколькими блоками нижестоящего уровня, собирает от них и передает им необходимую информацию.

Использование иерархического принципа организации преследуетне сколько целей. Они состоят в том, чтобы наилучшим образом распределить ресурсы системы, обеспечив наименьшую ее сложность, быстродействие и емкость памяти, и вместе с тем обеспечить необходимую оперативность и точность анализа всей собираемой информации. Объем информации, собираемой на борту летательного аппарата информационно-телеметрической системы, весьма велик, и его непосредственная обработка, необходимая для формирования на борту соответствующих управляющих сигналов, не может быть осуществлена. Однако собираемая информация в значительной степени избыточна. Избыточность имеет как статистический, так и программный характер.

Статистическая избыточность вызвана тем, что сообщения, собираемые в процессе полета информационно-телеметрической системой, в большинстве своем нестационарны, и их информативность меняется во времени в довольно широких пределах. Поскольку изменение во времени этой информативности априорно неизвестно, то частота опроса источников сообщений выбирается исходя из их максимальной информативности, что и приводит к появлению статистической избыточности. Программная избыточность возникает тогда, когда информация от какого-либо источника совсем не требуется на данной фазе полета летательного аппарата, но, тем не менее, используемая программа опроса составлена так, что этот источник опрашивается.

В современных информационно-телеметрических системах используются разнообразные методы уменьшения статистической избыточности, называемые методами сжатия данных, такие, как полиномиальное предсказание и интерполяция, адаптивная коммутация и др. В частности, для многих технических параметров, контролируемых на борту летательного аппарата, достаточно осуществлять только текущий допусковый контроль, при котором посредством

сравнения текущего значения параметра с его верхним и нижним допуском выносится решение о том, «в норме» или «не в норме» этот параметр, Программная избыточность устраняется соответствующим подбором программ коммутации источников.

Использование иерархического принципа построения информационнотелеметрических систем позволяет осуществить устранение указанной выше избыточности непосредственно в местах сбора информации, не загружая информационную магистраль и подсистемы, расположенные на более высоких иерархических уровнях, избыточной информацией. Для этого локальная группа источников, собирающих информацию с какого-либо агрегата или подсистемы летательного аппарата, объединяется в унифицированный блок– локальный элемент. В локальном элементе осуществляется представление информации, собираемой источниками, в стандартной цифровой форме, сокращение статистической и программной избыточности и уплотнение сообщений, собранных от обслуживаемых источников. Для устранения программной избыточности в блоке памяти локального элемента могут храниться несколько различных программ опроса обслуживаемых источников, предусматривающих различные частоты опроса и различный состав обслуживаемых источников. Выбор той или иной программы опроса может осуществляться по команде о более высокого иерархического уровня либо по команде с Земли. В памяти локального элемента хранятся также различные константы, необходимые для обеспечения его функционирования, такие, как допуски на параметры, подвергаемые допусковому контролю, значения апертур на параметры, подвергаемые полиномиальному статистическому сжатию, и т. п.

Как правило, в современных информационно-телеметрических системах используется временное уплотнение с незакрепленными каналами, т.е. временное разделение каналов с кодовым признаком. Для осуществления ВРК – КП необходимо разравнивание во времени нерегулярного потока собираемой информации, т.е. буферизация данных, для чего в составе локального элемента имеется соответствующее буферное запоминающее устройство. Кроме того, необходимо датирование собранной информации, для чего в локальном элементе генерируются соответствующие метки времени, обеспечивающие требуемую точность временной привязки собранной информации.

В локальном элементе может также осуществляться помехоустойчивое кодирование собранной информации, обеспечивающее ее защиту от внутрисистемных помех и возможных сбоев в работе аппаратуры. При этом обычно используются простейшие методы кодирования, позволяющие обнаруживать ошибки посредством контроля кодовых слов на четность (нечетность).

Связь локальных элементов между собой и с вышестоящим иерархическим уровнем осуществляется посредством информационной магистрали. Однотипные источники информации, обслуживаемые одним локальным элементом, могут быть объединены в несколько групп, каждая из которых составляет канальный элемент. Канальные элементы связаны между собой внутри локального элемента местной информационной магистралью. Технической основой

для построения локальных элементов в настоящее время являются однородные или унифицированные вычислительные элементы, реализуемые с использованием микропроцессоров.

Таким образом, локальные элементы составляют второй уровень иерархии в системе информационно-телеметрического обеспечения, на котором осуществляется отбор и представление информации, собираемой на первом уровне иерархии – уровне источников информации. При этом объем информа-

ции, поступающей с локального элемента на более высокий иерархический уровень, существенно меньше объема поступающей на него информации с низшего иерархического уровня. Тем самым освобождаются ресурсы более высокого

иерархического уровня для решения более ответственных задач. На высшем уровне иерархии системы информационно-телеметрического обеспечения находится бортовая вычислительная система. На основе анализа данных о состоянии контролируемых подсистем и информации, получаемой от экипажа или наземного пункта управления, бортовая вычислительная система управляет информационным потоком в информационной магистрали и организует работу локальных элементов путем задания порядка обмена информацией и программ опроса источников в локальных элементах. В большинстве случаев в бортовых вычислительных системах используются16-разрядные (реже 32-разрядные) бортовые цифровые вычислительные машины производительностью до 106 опер./с. При этом кроме задач информационно-телеметрического обеспечения бортовая вычислительная система выполняет и другие задачи, например, задачи управления полетом, наведения, навигации, диагностики бортовых подсистем и др. По типу организации вычислений бортовые вычислительные системы могут быть централизованными и децентрализованными. Первый тип организации бортовой вычислительной системы предполагает

централизацию всех вычислительных функций в одной достаточно мощной бортовой вычислительной машине. Подобная централизация позволяет с максимальной эффективностью использовать имеющиеся вычислительные ресурсы, однако в случае модификации или расширения функций системы требуется радикальный пересмотр используемого математического обеспечения, что сопряжено с большими затратами времени и средств. Поэтому централизованные бортовые вычислительные системы применяют, в основном, там, где предполагается одноразовое использование математического обеспечения без модификаций в процессе эксплуатации, например в бортовых системах космических аппаратов.

При организации бортовой вычислительной системы по децентрализованному типу вычислительные функции распределяются между несколькими бортовыми вычислительными машинами, предназначенными для решения вполне определенных задач и работающими независимо. Это позволяет разрабатывать, отлаживать и модифицировать отдельные вычислительные машины одновременно и независимо друг от друга. Распределение задач по машинам производится с учетом свойств задач и требуемой вычислительной мощности, и обыч-

но одной машине поручается ограниченный круг однотипных задач, что позволяет существенно упростить и снизить затраты на математическое обеспечение. Следует отметить, что затраты на математическое обеспечение могут в несколько раз превышать стоимость самих вычислительных машин, поэтому последнее обстоятельство является весьма важным. Кроме того, в децентрализованных бортовых вычислительных системах можно использовать различные методы увеличения надежности и различные кратности резервированияот дельных машин с учетом важности решаемых ими задач. Кроме того, при вы-

ходе из строя одной или нескольких бортовых вычислительных машин их функции полностью или частично могут выполнить другие машины, что обеспечивает меньшую уязвимость бортовой вычислительной системы.

Структурная схема, поясняющая рассматриваемую структуру бортовой информационно-телеметрической системы, представлена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Структурная схема бортовой телеметрической системы

Кроме рассмотренных выше локальных элементов(ЛЭ) и бортовой вычислительной системы (БВС) в ее состав входит блок магнитной записи (БМЗ), в котором, в частности, записывается информация, предназначенная для передачи на Землю во время отсутствия радиосвязи летательного аппарата с наземным пунктом управления.

В случае пилотируемого летательного аппарата в состав бортовой инфор- мационно-телеметрической системы входит также блок контроля и индикации (БКИ), который обеспечивает экипажу наблюдение и управление работой отдельных подсистем летательного аппарата, а также проведение необходимых экспериментальных исследований. В современных бортовых информационнотелеметрических системах летательных аппаратов блок контроля и индикации выполняется на многофункциональных дисплеях, что позволяет в значительной степени решить проблему ограниченности объема кабины экипажа и

уменьшить нагрузку на экипаж, освобождая его от наблюдения за многими однофункциональными индикаторами.

На экраны дисплеев от бортовой вычислительной системы выводится только та информация, которая имеет существенное значение или необходима в данной полетной ситуации, в частности, сигнальная информация о наруше-

нии нормального функционирования отдельных подсистем и информация о наступлении важных событий в процессе полета. Используя органы управления дисплеями, экипаж имеет возможность связаться с любой из подсистем летательного аппарата, ввести в нее информацию, меняющую режим работы данной подсистемы, или вызвать на экран дисплея любую интересующую его информацию.

Устройство сопряжения обеспечивает совместимость всех подсистем, входящих в состав бортовой информационно-телеметрической системы, а именно: совместимость форматов данных, обрабатываемых в каждой подсистеме, синхронизацию, таймирование и координацию всех переключений.

Таким образом, для выполнения задач информационно-телеметрического обеспечения летательных аппаратов совместно используются аппаратные и программные средства. При этом, несмотря на значительную стоимость математического обеспечения, программная реализация часто оказывается более дешевой, чем то оборудование, которое понадобилось бы для решения аналогичных задач.

Система информационно-телеметрического обеспечения является одной из важнейших систем летательного аппарата, надежная и безошибочная работа которой является необходимым условием для выполнения полетных задач и обеспечения безопасности экипажа. Поэтому обеспечение высокой надежности системы информационно-телеметрического обеспечения представляет -важ нейшую проблему. Поскольку, несмотря на весьма высокую надежность элементов, всегда существует ненулевая вероятность отказа или сбоя в системе, то система информационно-телеметрического обеспечения должна быть построена таким образом, чтобы она была в достаточной мере нечувствительна к неизбежным отказам и сбоям, или, как говорят, система должна быть толерантной.

Для обеспечения толерантности системы используют разнообразные методы введения в нее избыточности, которую можно классифицировать как аппаратурную, программную и временную. При аппаратных методах в аппаратуру вводятся дополнительные элементы, блоки или устройства. К этим методам относятся, например, помехоустойчивое кодирование используемых в системе сигналов, внутрисхемное кодирование, позволяющее реализовать самокоррек-

тирующиеся устройства, методы резервирования на различных уровнях (уровне элементов, блоков, устройств и систем), осуществляемое посредством их дублирования, троирования и т.п. Экономически наиболее целесообразно применять, возможно, более низкий уровень введения избыточности, поэтому при создании толерантных систем информационно-телеметрического обеспечения часто используют резервирование на уровне отдельных модулей и трои-

Нередко встречаются случаи, когда информация может передаваться не только от одного корреспондента к другому, но и в обратном направлении. В таких условиях появляется возможность использовать обратный поток информации для существенного повышения верности сообщений, переданных в прямом направлении. При этом не исключено, что по обоим каналам (прямому и обратному) в основном непосредственно передаются сообщения в двух направлениях ("дуплексная связь") и только часть пропускной способности каждого из каналов используют для передачи дополнительных данных, предназначенных для повышения верности.

Возможны различные способы использования системы с обратной связью в дискретном канале. Обычно их подразделяют на два типа: системы с информационной обратной связью и системы с управляющей обратной связью. Системами с информационной обратной связью называются такие, в которых с приемного устройства на передающее поступает информация о том, в каком виде принято сообщение. На основании этой информации передающее устройство может вносить те или иные изменения в процесс передачи сообщения: например, повторить ошибочно принятые отрезки сообщения, изменить применяемый код (передав предварительно соответствующий условный сигнал и убедившись в том, что он принят) либо вообще прекратить передачу при плохом состоянии канала до его улучшения.

В системах с управляющей обратной связью приемное устройство на основании анализа принятого сигнала само принимает решение о необходимости повторения, изменения способа передачи, временного перерыва связи и передает об этом приказание передающему устройству. Возможны и смешанные методы использования обратной связи, когда в некоторых случаях решение принимается на приемном устройстве, а в других случаях на передающем устройстве на основании полученной по обратному каналу информации.

Простейшим по идее методом информационной обратной связи является метод полной обратной проверки и повторения (ОПП). При этом принятый сигнал полностью ретранслируется на передающее устройство, где каждая принятая кодовая комбинация сверяется с переданной. В случае их несовпадения передающее устройство передает сигнал для стирания неправильно принятой комбинации, а затем повторяет нужную комбинацию. В качестве сигнала для стирания применяют специальную кодовую комбинацию, не используемую при передаче сообщения.

Функциональная схема такой системы показана на рис. 5.L Передаваемое сообщение, закодированное примитивным кодом, посылают в канал и одновременно записывают в запоминающем устройстве (накопителе). Принятая кодовая комбинация сразу не декодируется, а запоминается в приемном накопителе и возвращается по обратному каналу на передающий конец, где она сравнивается с переданной комбинацией. Если они совпадают, то передается следующая кодовая комбинация, в противном случае - сигнал стирания.

При этом методе окончательный ошибочный прием кодовой комбинации возможен лишь тогда, когда ошибки в принятой комбинации компенсируются ошибками, возникающими в канале обратной связи. Другими словами, для того чтобы некоторый символ в переданной кодовой комбинации был окончательно принят ошибочно, необходимо и достаточно, чтобы, во-первых, произошла ошибка в прямом канале и, во-вторых, при ретрансляции произошла такая ошибка, которая изменит неправильный ретранслируемый символ на действительно переданный. Это позволяет сразу вычислить вероятность не обнаруженной, а следовательно, и неисправленной ошибки (в расчете на один символ):

р н.о = p 1 p 2 (5.33)

где p 1 - вероятность ошибки в прямом канале; р 2 - вероятность противоположной ошибки в канале обратной связи.

Следовательно, если p 1 и р 2 велики, то система с полной ретрансляцией дает неудовлетворительные результаты. Практически данный метод имеет смысл в тех случаях, когда канал обратной связи обеспечивает весьма высокую верность (например, при передаче сообщений на спутник с Земли), а прямой канал имеет низкую верность (например, при передаче сообщений спутника на Землю ввиду того, что мощность передатчика на спутнике мала). Существенным недостатком системы с полной ретрансляцией является большая загрузка канала обратной связи. Существуют и более сложные системы с информационной обратной связью, в которых используются помехоустойчивые коды.

Наиболее распространены системы с управляющей обратной связью (УОС) при использовании избыточных кодов для обнаружения ошибок (рис. 5.2). Такие системы часто называют системами с переспросом, или с автоматическим запросом ошибок, или с решающей обратной связью (РОС).

В большинстве случаев это системы дуплексные, т. е. информация в них передается в обоих направлениях. В кодере передаваемое сообщение кодируется кодом, позволяющим с большой вероятностью обнаруживать возникающие в канале ошибки. Принятый кодовый блок декодируется с обнаружением ошибок. Если ошибки не обнаружены, то декодированный отрезок сообщения поступает к получателю. При обнаружении ошибок блок бракуется и по обратному каналу передается специальный "сигнал переспроса". В большинстве систем этот сигнал представляет собой специальную кодовую комбинацию, на время передачи которой прерывается поток информации, идущей по обратному каналу. Прием сигнала переспроса вызывает повторение забракованного блока, который для этого хранится в накопителе-повторителе до тех пор, пока по обратному каналу не будет принята очередная кодовая комбинация, не содержащая переспроса.

Система с управляющей обратной связью оказывается весьма эффективной в каналах с переменной вероятностью ошибки р (например, в каналах с замираниями). Когда величина р становится близкой к 1/2, т. е. пропускная способность канала падает почти до нуля, система находится в режиме постоянного переспроса, однако при хорошем коде ложная информация на выход практически не поступает. При уменьшении вероятности ошибки скорость передачи увеличивается, а верность продолжает оставаться на заданном уровне. Таким образом, система УОС как бы адаптируется (приспосабливается) к состоянию канала, используя канал настолько, насколько это оказывается возможным в каждом из его состояний.

В заключение отметим следующий факт, доказываемый в теории информации: в каналах без памяти наличие любой обратной связи не увеличивает пропускной способности прямого канала. Следовательно, если допустимо использование длинных кодов, то обратная связь не даст преимуществ. Однако, как уже указывалось, длинные коды требуют весьма сложных устройств декодирования, которые часто практически не реализуемы. Именно в этом случае может помочь обратная связь, позволяющая реализовать ту же пропускную способность более простыми средствами.

Вопросы к главе 5

1. По каким признакам можно классифицировать коды?
2. Источник независимых сообщений имеет в своем алфавите восемь сообщений с вероятностями Р(А) = 0,3; Р(Б) = Р(В) = 0,2; Р(Г) = 0,15; Р(Д) = 0,1; Р(Е) = 0,03; Р(Ж) = Р(И) = 0,01. Вычислите энтропию сообщений, постройте неравномерный код по методу Фено и определите, насколько он близок к оптимальному. Сравните необходимые скорости передачи в канале при коде Фено и при равномерном коде.
3. Почему короткие помехоустойчивые коды не обеспечивают большой эффективности?
4. Может ли один и тот же помехоустойчивый код использоваться в системе с обнаружением и в системе с исправлением ошибок?
5. В двоичном стирающем канале без памяти (см. гл. 3, рис. 3.7) вероятность ошибки p = 0, а вероятность стирания р с >0. Докажите, что код с d > 1 позволяет исправлять в таком канале все стертые символы, если кратность стираний q c Пусть некоторый код А длины n имеет нечетное значение d. Построим новый код В длины n+1, добавив к прежнему коду проверочный символ, равный сумме (по модулю 2) всех остальных символов. Покажите, что при этом d увеличивается на 1.
6. Покажите, что код В длины n+1, построенный в предыдущей задаче, позволяет исправлять ошибки кратностью q≤d/2-1, т. е. те же, которые исправлял код А и одновременно обнаруживать ошибки кратностью d/2, где d - четное минимальное расстояние кода В.
7. Какой код является двойственным простейшему коду (n, n-1) с одной проверкой на четность и d = 2? Чему равно d для двойственного кода?
8. При использовании кода Хэмминга (7,4) с проверочной матрицей (5.24) принята последовательность 1100111. Как она должна быть декодирована по алгоритму Хэмминга? Тот же вопрос, если принята последовательность 1100110? А если 1010001?
9. Код Хэмминга (3,1) содержит всего две комбинации: 000 и 111. Определите эквивалентную вероятность ошибки при использовании этого кода в симметричном канале с независимыми ошибками, происходящими с вероятностью р.
10. Тот же код (3,1) используется в несимметричном канале, в котором Р(1→0) = р, Р(0→1) = 0. Предложите разумное правило декодирования и вычислите эквивалентную вероятность ошибки.
11. В формуле (5.28) выписаны четыре "проверки для символа эквидистантного кода (7,3). Учитывая, что этот код циклический, запишите проверки для b 2 и b 3 и определите, как будут декодированы по мажоритарному алгоритму принятые последовательности 0100110, 0110111, 0101010?
12. Для двух кодов (6,5) и (4,3) с d = 2 у каждого, составлен итеративный код. Найдите для него n, k и d и покажите, каким образом он позволяет "справлять и обнаруживать ошибки?
13. * В двоичной системе с информационной обратной связью (ОПП) ошибки независимы и их вероятность в прямом канале pi = 0,l, а в обратном канале р 2 = 10 -5 . Используются 5-разрядные кодовые комбинации. Определите вероятность не обнаруженной ошибки и оцените степень замедления передачи за счет обнаруженных ошибок.
14. * В условиях вопроса 13 p 1 = 0,5 (т. е. связь по прямому каналу отсутствует), а p 2 = 0. Возможна ли передача информации в этом случае? По формуле (5.33) вероятность не обнаруженной ошибки р н.о = 0. С другой стороны, интуиция подсказывает, что передача информации здесь невозможна. Как объяснить такое противоречие?