За счет чего достигается помехоустойчивость

18.04.202229.04.2022 admin 0 Comments

Способы повышения помехоустойчивости информационных систем

В настоящее время известно большое число способов повышения помехоустойчивости систем.

Простым и часто применяемым способом повышения помехоустойчивости передачи является увеличение отношения сигнал/помеха за счет увеличения мощности передатчика. Однако этот метод, несмотря на свою простоту может оказаться экономически невыгодным, так как связан с существенным ростом сложности и стоймости оборудования. Помимо того, увеличение мощности передачи сопровождается усилением мешающего действия данного канала на другие.

Важным способом повышения помехоустойчивости передачи непрерывных сигналов является рациональный выбор вида модуляции сигналов. Применяя виды модуляции, обеспечивающие значительное расширение полосы частот сигнала, можно добиться существенного повышения помехоустойчивости передачи.

Радикальным способом повышения помехоустойчивости передачи дискретных сигналов является использование специальных помехоустойчивых кодов. Такие коды позволяют обнаруживать и устранять искажения в кодовых комбинациях за счет введения в код дополнительных, избыточных символов. Кодирование сопровождается увеличением времени передачи или частоты передачи символов кода. Это приводит к расширению спектра сигнала.

Ниже рассматриваются основные положения теории помехоустойчивого кодирования.

Разновидности помехоустойчивых кодов.Высокие требования к достоверности передачи, обработки и хранения информации в современных телекоммуникационных системах диктуют необходимость такого кодирования информации, которое обеспечивало бы возможность обнаружения и исправления ошибки.

Кодирование должно осуществляться так, чтобы сигнал, соответствующий принятой последовательности символов, после воздействия на него предполагаемой в канале помехи оставался ближе к сигналу, соответствующему конкретной переданной последовательности символов, чем к сигналам, соответствующим другим возможным последовательностям. (Степень близости обычно определяется по числу разрядов, в которых последовательности отличаются друг от друга.)

Это достигается ценой введения при кодировании избыточности, которая позволяет так выбрать передаваемые последовательности символов, чтобы они удовлетворяли дополнительным условиям, проверка которых на приемной стороне дает возможность обнаружить и исправить ошибки.

Коды, обладающие таким свойством, называют помехоустойчивыми. Они используются как для исправления ошибок (корректирующие коды), так и для их обнаружения.

У подавляющего большинства существующих в настоящее время помехоустойчивых кодов указанные условия являются следствием их алгебраической структуры. В связи с этим их называют алгебраическими кодами. (В отличие, например, от кодов Вагнера, корректирующее действие которых базируется на оценке вероятности искажения каждого символа.)

Алгебраические коды можно подразделить на два больших класса: блоковые и непрерывные.

В случае блоковых кодов процедура кодирования заключается в сопоставлении каждой букве сообщения (или последовательности из k символов, соответствующей этой букве) блока из п символов. В операциях по преобразованию принимают участие только указанные k символов, и выходная последовательность не зависит от других символов в передаваемом сообщении.

Блоковый код называют равномерным, если п остается постоянным для всех букв сообщения.

Различают разделимые и неразделимые блоковые коды. При кодировании разделимыми кодами выходные последовательности состоят из символов, роль которых может быть отчетливо разграничена. Это информационные символы, совпадающие с символами последовательности, поступающей на вход кодера канала, и избыточные (проверочные) символы, вводимые в исходную последовательность кодером канала и служащие для обнаружения и исправления ошибок.

При кодировании неразделимыми кодами разделить символы выходной последовательности на информационные и проверочные невозможно.

Непрерывными (древовидными) называют такие коды, в которых введение избыточных символов в кодируемую последовательность информационных символов осуществляется непрерывно, без разделения ее на независимые блоки. Непрерывные коды также могут быть разделимыми и неразделимыми.

Наиболее простыми в отношении технической реализации кодами этого класса являются сверточные (рекуррентные) коды.

Принципы помехоустойчивого кодирования блоками конечной длины.Пусть некоторая последовательность элементарных символов, содержащая п разрядов, представляет кодовое слово. Если в любом из разрядов кодового слова возможное число различных элементарных символов составляет т, можно построить код, состоящий из т п слов. В том случае, когда все возможные кодовые слова используются для передачи сообщений от источника, код называется простым (примитивным) или кодом без избыточности. Такой код использовать для кодирования в канале с помехами нецелесообразно. Для придания коду корректирующих свойств в него необходимо ввести избыточность, т.е. использовать для передачи сообщений лишь часть М из числа т п кодовых слов. Количественно избыточность кода по аналогии с величиной избыточности источника сообщений может быть определена как χ = 1 — log M/(n log m); при этом величину 1 — х = log M/(n log m) = R называют относительной скоростью кода. Число т в теории кодирования называют основанием кода. Простейшими и в то же время наиболее широко используемыми на практике являются двоичные коды, у которых т = 2.

Расстояние Хемминга между кодовыми блоками позволяет ввести еще один важный параметр в теории кодирования:

Определение.Наименьшее из расстояний Хемминга между любыми парами используемых кодовых слов называется кодовым расстоянием для кода К и обозначается через d(K).

Рассмотрим принципы помехоустойчивого кодирования на основе блочных равномерных кодов, полагая, что в системе связи принятие решения о переданном сообщении осуществляется по результатам распознавания каждого кодового слова из переданной последовательности. При использовании кода без избыточности (примитивного кода, для которого d(K) = 1) появление ошибки в любом из принятых слов останется незамеченным, поскольку трансформация символа хотя бы в одном разряде приводит к используемому кодовому слову. Возможность фиксации ошибки в кодовом слове появляется только в том случае, когда в процессе кодирования вводится определенная избыточность. Как уже отмечалось, в этом случае из возможного N = m n числа кодовых блоков для передачи сообщений от источника используются лишь часть М k,то при использовании кодирования энергия, приходящаяся на символ, уменьшается. Это приводит к тому, что в системе с избыточным кодированием вероятность ошибки на символ оказывается выше, чем в системе без кодирования. Если код обладает высокой корректирующей способностью, то благодаря наличию избыточных символов эти потери «отыгрываются» и обеспечивается дополнительный выигрыш, который принято называть энергетическим выигрышем кодирования (ЭВК). ЭВК является количественной мерой эффективности кодирования. Его значения оценивают, сопоставляя энергетические затраты на передачу одного бита при фиксированных вероятностях ошибочного приема либо символа, либо бита сообщения в системах с кодированием и без кодирования.

1. Какие критерии применяются для оценки помехоустойчивости систем передачи информации с непрерывными сигналами?

2. Какие критерии применяются для оценки помехоустойчивости систем передачи информации с дискретными сигналами?

3. Перечислите известные способы повышения помехоустойчивости передачи.

4. Какие коды называют помехоустойчивыми?

5. За счет чего помехоустойчивый код получает способность обнаруживать и исправлять ошибки?

6. Что подразумевают под кратностью ошибки?

7. Как определяется минимальное кодовое расстояние?

8. Запишите соотношения, связывающие минимальное кодовое расстояние с числом обнаруживаемых и исправляемых ошибок.

9. Назовите основные показатели качества корректирующего кода.

Источник

Методы повышения помехозащищенности и помехоустойчивости передачи и приема данных

Одна и та же линия связи может использоваться для передачи сигналов между многими источниками и приемниками, т.е. линия связи может обслуживать несколько каналов.

При синтезе систем передачи информации приходится решать две основные проблемы, связанные с передачей сообщений:

1) обеспечение помехоустойчивости передачи сообщений

2) обеспечение высокой эффективности передачи сообщений

Под помехоустойчивостью понимается способность информации противостоять вредному воздействию помех. При данных условиях, т.е. при заданной помехе, помехоустойчивость определяет верность передачи информации. Под верностью понимается мера соответствия принятого сообщения (сигнала) переданному сообщению (сигналу).

Под эффективностью системы передачи информации понимается способность системы обеспечивать передачу заданного количества информации наиболее экономичным способом. Эффективность характеризует способность системы обеспечить передачу данного количества информации с наименьшими затратами мощности сигнала, времени и полосы частот.

Теория информации устанавливает критерии оценки помехоустойчивости и эффективности информационных систем, а также указывает общие пути повышения помехоустойчивости и эффективности.

Повышение помехоустойчивости практически всегда сопровождается ухудшением эффективности и наоборот

В основах всех способов повышения помехоустойчивости информационных систем лежит использование определенных различий между полезным сигналом и помехой. Поэтому для борьбы с помехами необходимы априорные сведения о свойствах помехи и сигнала.

В настоящее время известно большое число способов повышения помехоустойчивости систем. Эти способы удобно разбить на две группы.

I группа – основана на выборе метода передачи сообщений.

II группа – связана с построением помехоустойчивых приемников.

Простым и применяемым способом повышения помехоустойчивости является увеличение отношения сигнал/помеха за счет увеличения мощности передатчика. Но этот метод может оказаться экономически не выгодным, так как связан с существенным ростом сложности и стоимости оборудования. Кроме того, увеличение мощности передачи сопровождается усилением мешающего действия данного канала на другие.

Важным способом повышения помехоустойчивости передачи непрерывных сигналов является рациональный выбор вида модуляции сигналов. Применяя виды модуляции, обеспечивающие значительное расширение полосы частот сигнала, можно добиться существенного повышения помехоустойчивости передачи.

Радикальным способом повышения помехоустойчивости передачи дискретных сигналов является использование специальных помехоустойчивых кодов. При этом имеется два пути повышения помехоустойчивости кодов:

1. Выбор таких способов передачи, которые обеспечивают меньшую вероятность искажения кода;

2. Увеличение корректирующих свойств кодовых комбинаций. Этот путь связан с использованием кодов, позволяющих обнаруживать и устранять искажения в кодовых комбинациях. Такой способ кодирования связан с введением в код дополнительных, избыточных символов, что сопровождается увеличением времени передачи или частоты передачи символов кода.

Повышение помехоустойчивости передачи может быть также достигнуто путем повторной передачи одного и того же сообщения. На приемной стороне сравниваются полученные сообщения и в качестве истинных принимаются те, которые имеют наибольшее число совпадений. Чтобы исключить неопределенность при обработке принятой информации и обеспечить отбор по критерию большинства, сообщение должно повторяться не менее трёх раз. Этот способ повышения помехоустойчивости связан с увеличением времени передачи.

Системы с повторением передачи дискретной информации делятся на системы с групповым суммированием, у которых сравнение производится по кодовым комбинациям, и на системы с посимвольным суммированием, у которых сравнение осуществляется по символам кодовых комбинаций. Посимвольная проверка является более эффективной, чем групповая.

Разновидность систем, у которых повышение помехоустойчивости достигается за счет увеличения времени передачи, являются системы с обратной связью. При наличии искажений в передаваемых сообщениях информация, поступающая по обратному каналу, обеспечивает повторение передачи. Наличие обратного канала приводит к усложнению системы. Однако в отличие от систем с повторением передачи в системах с обратной связью повторение передачи будет иметь место лишь в случае обнаружения искажений в передаваемом сигнале, т.е. избыточность в целом оказывается меньшей.

Помехоустойчивый прием состоит в использовании избыточности, а также априорных сведений о сигналах и помехах для решения оптимальным способом задачи приема: обнаружения сигнала, различия сигналов или восстановления сообщений. В настоящее время для синтеза оптимальных приемников широко используется аппарат теории статистических решений.

Ошибки приемника уменьшаются с увеличением отношения сигнал/помеха на входе приемника. В связи с этим часто производят предварительную обработку принятого сигнала с целью увеличения отношений полезной составляющей к помехе. К таким методам предварительной обработки сигналов относится метод ШОУ (сочетание широкополосного усилителя, ограничителя и узкополосного усилителя), селекция сигналов по длительности, метод компенсации помехи, метод фильтрации, корреляционный метод, метод накопления и др.

Рассмотрим простые практические способы построения кодов, способных обнаруживать и исправлять ошибки. Ограничимся рассмотрением двоичных каналов и равномерных кодов.

Метод контроля четности. Это простой способ обнаружения некоторых из возможных ошибок. Будем использовать в качестве разрешенных половину возможных кодовых комбинаций, а именно те из них, которые имеют четное число единиц (или нулей). Однократная ошибка при передаче через канал неизбежно приведет к нарушению четности, что и будет обнаружено на выходе канала. Очевидно, что трехкратные, пятикратные и вообще ошибки нечетной кратности ведут к нарушению четности и обнаруживаются этим методом, в то время как двукратные, четырехкратные и вообще ошибки четной кратности – нет.

Практическая техника кодирования методом контроля четности следующая. Из последовательности символов, подлежащих передаче через канал, выбирается очередной блок из k-1символов, называемых информационными, и к нему добавляется k-й символ, называемый контрольным. Значение контрольного символа выбирается так, чтобы обеспечить четность получаемого кодового слова, т.е. чтобы сделать его разрешенным.

Метод контроля четности представляет значительную ценность и широко применяется в тех случаях, в которых вероятность появления более одной ошибки пренебрежимо мала (во многих случаях, если наверняка знать, что кодовое слово принято с ошибкой, имеется возможность запросить повторную передачу). В то же время избыточность кода увеличивается минимально и незначительно при больших k(в k/( k-1)раз).

Метод контрольных сумм. Рассмотренный выше метод контроля четности может быть применен многократно для различных комбинаций разрядов передаваемых кодовых слов – и это позволит не только обнаруживать, но и исправлять определенные ошибки

1. Что понимают под линией связи?

2. Какое устройство называется декодером?

3. Какое устройство называется решающим?

4. Какое устройство называются декодирующим?

5. Что называют шагом квантования?

6. Дайте определение квантования по уровню.

7. Дайте определение квантования по времени.

8. Какое устройство называется передатчиком?

9. Что называется приемником?

10. Что понимают под сообщением?

11. Дайте определение средствам передачи связи?

12. Какое устройство называют мультиплексором передачи данных?

13. Определите понятия концетратор, повторитель.

14. Определите пропускную способность непрерывного канала без помех.

15. Определите пропускную способность непрерывного канала с помехами.

16. Опишите назначение: источника, формирователя сигналов.

17. Как воздействует сигнал в линии связи?

18. Как работает устройство распознавания?

19. Дайте определение помехоустойчивости.

20. Что понимают под эффективностью системы?

21. Перечислите методы повышения помехоустйчивости.

22. Расскажите о методе контроля четности.

23. Что собой представляет метод контрольных сумм?

3. Оцените степени сжатия каждого из архивов — отношение объёмов сжатого и несжатого файлов (объём файла учитывать с точностью до бита). Оформите результаты сравнения в виде электронной таблицы. Проанализируйте степени сжатия, полученные для различных типов файлов и при использовании разных форматов и различных уровней сжатия.