, 33. Забезпечення вимог безпеки та дисципліни.doc , Лабораторні роботи для дисципліни Вступ до спеціальності 14. , робоча програма з ТХ ПМ03 17.doc , 2-4 робоча програма 2019-2020.docx .
Лекція №14. Характеристики системи із зворотним зв'язком та їх особливості. Структурна схема системи з інформаційним зворотним зв'язком та вирішальним зворотним зв'язком, характеристики та алгоритм роботи.
Основна література:
Передача дискретних повідомлень: Підручник для ВНЗ / В. П. Шувалов, Н. В. Захарченко, В. О. Шварцман та ін.; За ред. В. П. Шувалова. - М: Радіо і зв'язок, 1990 - 464 с
Купінов Ю.П. та ін Основи передачі дискретних повідомлень-М: Радіо і зв'язок, 1992.
Цифровий зв'язок. – М., Санк-П, Київ: Вид. будинок «Вільям», 2003
Мірманов А.Б. Курс лекцій з дисципліни «Технологія цифрового зв'язку» – Астана: КазАТУ, 2009. (електронний)
Ключові слова:
адаптивні, вирішальна, інформаційна, зворотний канал, вставка, випадання, зсув.
Розглянуті питання:
Адаптація у системах ПДС
Системи зі зворотним зв'язком
Системи передачі із РОС.
Швидкість передачі в системах з РОС і ОЖ
Методика розрахунку ймовірності неправильного прийому (без урахування спотворень у каналі ОС)
Тези до лекції
Адаптація у системах ПДС
Більшість реальних каналів зв'язку нестаціонарними. Стан та якість таких каналів змінюється з часом.
Для найкращого використання каналу необхідно змінювати надмірність, що вноситься (алгоритми кодування, декодування, сигнали тощо) залежно від стану каналу.
Системи, в яких здійснюється процес цілеспрямованої зміни параметрів, структури або властивостей системи в залежності від умов передачі повідомлення, з метою досягнення оптимального функціонування – називаються адаптивними.
Адаптивні системи передбачають використання зворотних зв'язків.
Системи зі зворотним зв'язком
Залежно від призначення ОС розрізняють системи:
із вирішальною ОС (РОС);
з інформаційною (ІОС).
Важливе відмінність систем РОС та ІОСполягає в тому, де приймається рішення про подальшу поведінку системи. У системах з РОСрішення приймається на прийомі, а в системах з ІОС – на передачі.
Для організації зворотного зв'язку та в тих та в інших системах використовується зворотний канал.
Інформація, що передається по каналу з ОС – називається квитанцією.
Системи з ІОС, у яких здійснюється повна передача прийнятих кодових комбінацій по зворотному каналу, називаються ретрансляційні.
Найчастіше приймач формує спеціальні сигнали, мають менший обсяг, ніж корисна інформація передана прямому каналу, т. е. квитанція менше – укорочена ИОС.
Системи передачі із РОС.
Найбільш поширеними серед систем з РОС є:
системи з очікуванням (РОС – ОЖ);
з безперервною передачею інформації та блокуванням
з адресним перепитом
У системах РОС – ОЖ завжди є затримка на час очікування t ож. Цей час складається з кількох інтервалів:
де t p пк– час поширення сигналу прямому каналі; t ан- Час аналізу правильності прийому; t oc- Тривалість сигналу ОС; t p oc- Розповсюдження сигналу ОС; t a oc- Аналіз сигналу ОС.
У системах з ОС виникають специфічні спотворення, внаслідок помилок у каналі зворотний зв'язок. Такі спотворення називають «вставками»і «випаданнями».
Причини та їх виникнення:
якщо в результаті дії перешкод у ОК сигнал «підтвердження» трансформувався в сигнал «перепитування», то вже прийнята КК видається одержувачу, а в канал повторно відправиться поверсі комбінація. Таким чином, ПС отримає дві послідовні однакові комбінації – «вставка».
якщо відбудеться перехід «перепитування» «підтвердження», то помилково прийнята комбінація буде стерта, але канал піде наступна. Значить ПС не отримає цієї комбінації - відбудеться «випадання».
Боротьба з явищем "зсуву" в системах з РОС - ОЖ
Підвищення завадостійкості зворотного каналу.
Циклічна нумерація кодових комбінацій, що передаються.
Методика розрахунку ймовірності неправильного прийому (без урахування спотворень у каналі ОС)
Прийом кожної КК має три результати:
КК прийнято правильно і помилок у ній немає ( Р ппр)
КК прийнято і в ній виявлено помилку ( Р оо)
КК з помилкою, але помилка не виявлена ( Р нпр)
Рисунок 14.1. Граф станів аналізованої системи з РОС – ОЖ
Імовірність неправильного прийому P * нп при необмеженому числі циклів перепиту буде включати ймовірність НП в першому циклі, ймовірність НП після першого, другого і т. д. перепитувань.
Швидкість передачі в системах з РОС і ОЖ
До основних недоліків систем РОС - ОЖ відноситься значне зниження швидкості R.
Причини зниження швидкості:
введення надлишкових (перевірочних) елементів ( 1 );
наявність t ож- Сигналу рішення про якість прийому ( 2 );
повторні передачі КК ( 3 ).
R = B 1 2 3
Коефіцієнти зменшення швидкості рахунок введення перевірочних елементів
Враховуючи і надмірність та очікування
3. При ймовірності виявлення помилок у КК - P oo 
Аналізуючи
1
і
3
слід, що збільшення швидкості R (або зниження втрат швидкості) необхідно збільшувати довжину блоку n. Збільшення довжини блокуn:
знижує відносну кількість надлишкових елементів необхідних для забезпечення заданої вірності;
знижує відносні втрати на очікування рішення щодо якості прийому.
Контрольні питання
Помилки в каналах зазвичай групуються, стан каналу може бути різним. Отже, якщо застосовувати коригуючий код у СПІ без зворотного зв'язку, то при значній щільності помилок він буде неефективним за перешкодою, а при невеликій густині помилок він буде неефективний за швидкістю передачі. Зазвичай коригуючий код розраховують на постійну щільність перешкод, тому СПІ без зворотного зв'язку застосовують у системах з постійним часом затримки інформації, а також якщо канал зворотного напрямку відсутній або його створення неможливо.
Необхідно надмірність, що вводиться в інформацію, що передається, порівнювати зі станом дискретного каналу в кожен момент часу. Наприклад, зростання числа помилок має бути пов'язане зі зростанням надмірності.
Надмірність вводиться в передавачі, а стан каналу можна судити за результатами прийому інформації. Щоб регулювати надмірність, треба щоб приймач інформував передавач про кількість помилок. Тому водиться канал зворотного зв'язку.
СПІ з каналом зворотного зв'язку діляться на системи з вирішальним зворотним зв'язком (РОС), системи з інформаційним зворотним зв'язком (ІОС) та системи з комбінованим зворотним зв'язком (КОС).
У системах з РОС приймач, прийнявши кодову комбінацію та виконавши її аналіз на наявність помилок, приймає остаточне рішення або про видачу кодової комбінації споживачеві, або про її стиранні та посилки по зворотному каналу сигналу перепиту. Системи з РОС називають системами з перепитом чи системами з автоматичним запитом помилок. У разі прийняття кодової комбінації без помилок приймач формує та спрямовує в канал зворотного зв'язку сигнал підтвердження. Передавач, отримавши сигнал підтвердження, передає кодову комбінацію. Активна роль належить приймачеві, а каналом зворотний зв'язок передається сигнал рішення, вироблюваний приймачем.
У системах з ІОС по каналу зворотного зв'язку передаються відомості про кодові комбінації (або їх елементи), що надходять у приймач, до остаточної обробки та прийняття заключного рішення. Можливо, що здійснюється ретрансляція кодової комбінації від приймача до передавача. Такі системи називаються ретрансляційними. Можливо, що приймач виробляє спеціальні сигнали, мають менший обсяг, ніж корисна інформація, але що характеризують якість її прийому. Ці сигнали від приймача каналом зворотного зв'язку також направляються до передавача. Якщо кількість інформації, що передається по каналу зворотного зв'язку (квитанція), дорівнює кількість інформації в повідомленні, що передається прямому каналу, то ІОС називається повною. Якщо ж інформація про квитанцію відображає лише деякі ознаки повідомлення, то ІОС називається укороченою.
Отримана каналом зворотний зв'язок квитанція аналізується передавачем. За результатами аналізу передавач приймає рішення щодо передачі наступної кодової комбінації або про повторення раніше переданих комбінацій.
Після цього передавач передає службові сигнали про прийняте рішення, а потім відповідні кодові комбінації. Відповідно до отриманих від передавача службових сигналів приймач або видає накопичену кодову комбінацію одержувачу, або стирає її і запам'ятовує як знову передану.
У системах з укороченою ІОС менше завантаження каналу зворотного зв'язку, але більша ймовірність появи помилок у порівнянні з системами з повною ІОС.
У системах з КОС рішення про видачу кодової комбінації одержувачу або про повторну передачу може прийматися як у приймачі, так і передавачі, а канал ОС використовуватися як для передачі квитанції, так і для вирішення.
Системи з ОС поділяються на системи з обмеженим та необмеженим числом повторень. При обмеженому числі повторень ймовірність помилки більша, але менше часу затримки.
Якщо СПІ зі зворотним зв'язком відкидає інформацію у забракованих кодових комбінаціях, ця система без пам'яті. В іншому випадку СПІ зі зворотним зв'язком називають системою з пам'яттю. На рис.6.10 наведено ілюстрацію, що пояснює реалізації зворотних зв'язків у СПІ.
При варіанті Iпо каналу зв'язку передаються відомості про сигнал до прийняття будь-якого рішення. При варіанті IIзворотний охоплює дискретний канал зв'язку, а каналом зворотного зв'язку передаються рішення, прийняті першою вирішальною схемою. При варіанті IIIзворотний зв'язок охоплює канал передачі дискретної інформації, а каналом зворотного зв'язку передаються рішення другий вирішальної схеми, прийняті на основі аналізу кодової комбінації.
Системи з ОС є адаптивними системами передачі, т.к. передача каналом автоматично приводиться у відповідність до конкретних умов проходження сигналів.
Канали зворотний зв'язок утворюються методами частотного чи тимчасового поділу від каналів передачі корисної інформації.
Для захисту від спотворень сигналів, що передаються по каналу ОС, застосовують коригувальні коди, багаторазову та паралельну передачі.
Системами передачі дискретної інформації із зворотним зв'язком (ОС) називають системи, у яких повторення раніше переданої відбувається лише після прийому сигналу ОС. Системи зі зворотним зв'язком поділяються на системи з вирішальною ОС та інформаційною ОС.
Системи з вирішальним зворотним зв'язком
У приймачі системи правильно прийняті комбінації накопичуються в накопичувачі і якщо після прийому блоку хоча б одна з комбінацій не буде прийнята, то формується сигнал перепиту, єдиний на весь блок. Повторюється весь блок, а в приймачі системи з блоку відбираються комбінації, не прийняті при першій передачі. Перепити проводяться доти, доки не будуть прийняті всі комбінації блоку. Після прийому всіх комбінацій надсилається сигнал підтвердження. Отримавши його, передавач передає наступний блок комбінацій (системи з адресним перепитом – РОС-АП). Ці системи багато в чому аналогічні системам із накопиченням, але на відміну від останніх приймач їх формує і передає складний сигнал перепиту, в якому вказуються умовні номери (адреси) не прийнятих приймачем комбінацій блоку. Відповідно до цього сигналу, передавач повторює не весь блок, як у системі з накопиченням, а не прийняті комбінації (системи з послідовною передачею кодових комбінацій - РОС-ПП).
Відомі різні варіанти побудови систем РОС-ПП, основними з яких є:
Системи зі зміною порядку проходження комбінацій (РОС-ПП). У цих системах приймач стирає лише комбінації, якими вирішальним пристроєм прийнято рішення на стирання, і лише цим комбінаціям посилає на передавач сигнали перепиту. Інші комбінації видаються у ПІ у міру їх надходження.
Системи з відновленням порядку прямування комбінацій (РОС-ПП). Від систем РОС-ПП дані системи відрізняються тим, що приймач їх містить пристрій, що відновлює порядок проходження комбінацій.
Системи зі змінним ущільненням (РОС-ПП). Тут передавач по черзі передає комбінації з послідовностей, причому число останніх вибирається так, щоб на час передачі комбінацій на передавачі вже був прийнятий сигнал ОС раніше переданої комбінації цієї послідовності.
Системи з блокуванням приймача на час прийому комбінацій після виявлення помилки та повторенням або перенесенням блоку з комбінацій (РОС-ПП).
Системи із контролем заблокованих комбінацій (РОС-ПП). У цих системах після виявлення помилки кодової комбінації і передачі сигналу перепиту проводиться контроль на наявність виявлених помилок h -1 комбінацій, наступних за комбінацією з виявленою помилкою.
Системи з інформаційним зворотним зв'язком
Відмінність у логіці роботи систем з РОС та ІОС проявляється у швидкості передачі. Найчастіше передача службових знаків вимагають менших витрат енергії і часу, ніж передача прямому каналу розпізнавачів у системі з РОС. Тому швидкість передачі повідомлень у прямому напрямку в системі з ІОС більша. Якщо перешкодостійкість зворотного каналу вище завадостійкості прямого, то достовірність передачі повідомлень у системах з ІОС також вища. У разі повного безшумного інформаційного зворотного зв'язку можна забезпечити безпомилкову передачу повідомлень прямого каналу незалежно від рівня перешкод у ньому. Для цього треба додатково організувати коригування спотворених у прямому каналі службових знаків. Такий результат, в принципі, недосяжний у системах із РОС розподіленого типу. У разі помилок, що групуються, істотну роль відіграють умови, в яких передаються інформаційна і контрольна частини кодових комбінацій в обох системах зв'язку. При використанні ІОС часто має місце єдина декореляція помилок у прямому та зворотному каналах.
Важливу роль при порівнянні передачі повідомлень з РОС та ІОС грають також довжина використовуваного коду n та його надмірність s/t. Якщо надмірність 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 повідомлень вигідніше вести короткими кодами. При заданій наперед достовірності швидкість передачі від цього стає більшою. Це вигідно з практичної точки зору, тому що здійснювати кодування та декодування при коротких кодах легше. Зі збільшенням надмірності коду перевага систем з ІОС за достовірністю передачі зростає навіть при однакових по перешкодостійкості прямому та зворотному каналах, особливо якщо передача повідомлень та квитанції в системі з ІОС організована так, що помилки в них виявляються некоректованими. Енергетичний виграш у прямому каналі системи з ІОС виявляється значно вище, ніж у системі з РОС. Таким чином, ІОС у всіх випадках забезпечує рівну або більш високу помехозащищенность передачі повідомлень прямому каналу, особливо при великих s і безшумному зворотному каналі. ІОС найбільш раціонально застосовувати в таких системах, де зворотний канал за родом свого завантаження може бути без шкоди для інших цілей використаний для ефективної передачі квитуючої інформації.
Проте загальна складність реалізації систем з ІОС більша, ніж систем з РОС. Тому системи з РОС знайшли ширше застосування. Системи з ІОС застосовують у тих випадках, коли зворотний канал може бути без шкоди для інших цілей ефективно використаний для передачі квитанцій.
Помилки в каналах зазвичай групуються, стан каналу може бути різним. Отже, якщо застосовувати коригуючий код в СПИ(система передачі інформації) без зворотного зв'язку, то при значній щільності помилок він буде неефективним за перешкодою, а при невеликій щільності помилок він буде неефективний за швидкістю передачі. Зазвичай коригуючий код розраховують на постійну щільність перешкод, тому СПІ без зворотного зв'язку застосовують у системах з постійним часом затримки інформації, а також якщо канал зворотного напрямку відсутній або його створення неможливо.
Необхідно надмірність, що вводиться в інформацію, що передається, порівнювати зі станом дискретного каналу в кожен момент часу. Наприклад, зростання числа помилок має бути пов'язане зі зростанням надмірності. Надмірність вводиться в передавачі, а стан каналу можна судити за результатами прийому інформації. Щоб регулювати
надмірність, треба щоб приймач інформував передавач про кількість помилок. Тому водиться канал зворотного зв'язку. СПІ з каналом зворотного зв'язку діляться на системи з вирішальним зворотним зв'язком (РОС), системи з інформаційним зворотним зв'язком (ІОС) та системи з комбінованим зворотним зв'язком (КОС). У системах з РОС приймач, прийнявши кодову комбінацію та виконавши її аналіз на наявність помилок, приймає остаточне рішення або про видачу кодової комбінації споживачеві, або про її стиранні та посилки по зворотному каналу сигналу перепиту. Системи з РОС називають системами з перепитом чи системами з автоматичним запитом помилок. У разі прийняття кодової комбінації без помилок приймач формує та спрямовує в канал зворотного зв'язку сигнал підтвердження. Передавач, отримавши сигнал підтвердження, передає кодову комбінацію. Активна роль належить приймачеві, а каналом зворотний зв'язок передається сигнал рішення, вироблюваний приймачем. У системах з ІОС по каналу зворотного зв'язку передаються відомості про кодові комбінації (або їх елементи), що надходять у приймач, до остаточної обробки та прийняття заключного рішення. Можливо, що здійснюється ретрансляція кодової комбінації від приймача до передавача. Такі системи називаються ретрансляційними. Можливо, що приймач виробляє спеціальні сигнали, мають менший обсяг, ніж корисна інформація, але що характеризують якість її прийому. Ці сигнали від приймача каналом зворотного зв'язку також направляються до передавача. Якщо кількість інформації, що передається по каналу зворотного зв'язку (квитанція), дорівнює кількість інформації в повідомленні, що передається прямому каналу, то ІОС називається повною. Якщо ж інформація про квитанцію відображає лише деякі ознаки повідомлення, то ІОС називається укороченою. Отримана каналом зворотний зв'язок квитанція аналізується передавачем. За результатами аналізу передавач приймає рішення щодо передачі наступної кодової комбінації або про повторення раніше переданих комбінацій. Після цього передавач передає службові сигнали про прийняте рішення, а потім відповідні кодові комбінації. Відповідно до отриманих від передавача службових сигналів приймач або видає накопичену кодову комбінацію одержувачу, або стирає її і запам'ятовує як знову передану. У системах з укороченою ІОС менше завантаження каналу зворотного зв'язку, але більша ймовірність появи помилок у порівнянні з системами з повною ІОС.
У системах з КОС рішення про видачу кодової комбінації одержувачу або про повторну передачу може прийматися як у приймачі, так і передавачі, а канал ОС використовуватися як для передачі квитанції, так і для вирішення. Системи з ОС поділяються на системи з обмеженим та необмеженим числом повторень. При обмеженому числі повторень ймовірність помилки більша, але менше часу затримки.
Якщо СПІ зі зворотним зв'язком відкидає інформацію у забракованих кодових комбінаціях, ця система без пам'яті. В іншому випадку СПІ зі зворотним зв'язком називають системою з пам'яттю. Системи з ОС є адаптивними системами передачі, т.к. передача каналом автоматично приводиться у відповідність до конкретних умов проходження сигналів. Канали зворотний зв'язок утворюються методами частотного чи тимчасового поділу від каналів передачі корисної інформації. Для захисту від спотворень сигналів, що передаються по каналу ОС, застосовують коригувальні коди, багаторазову та паралельну передачі. Нині відомі численні алгоритми роботи систем із ОС. Найбільш поширеними серед них є системи:
· РОС з очікуванням сигналу ОС;
· РОС з безадресним повторенням та блокуванням приймача;
· РОС з адресним повторенням.
Системи з очікуванням після передачі кодової комбінації або очікують сигнал зворотного зв'язку, або передають ту ж кодову комбінацію, але передачу наступної кодової комбінації починають тільки після отримання підтвердження раніше переданої комбінації.
Системи з блокуванням здійснюють передачу безперервної послідовності кодових комбінацій за відсутності сигналів ОС за попередніми комбінаціями n. Після виявлення помилок (n+1)-й комбінації вихід системи блокується на час прийому n комбінацій, в запам'ятовуючому пристрої приймача системи ПДС стираються n раніше прийнятих комбінацій і посилається сигнал перепиту. Передавач повторює передачу n останніх переданих кодових комбінацій.