Передача информации. Спутниковый интернет: технические особенности, оборудование и возможности

Обработка информации в вычислительных системах невозможна без передачи сообщений между отдельными элементами (оперативной памятью и процессором, процессором и внешними устройствами). Примеры процессов передачи данных приведены в следующей таблице.

В перечисленных выше процессах передачи можно усмотреть определенное сходство. Общая схема передачи информации ,, показана на рис.7.1.

В канале сигнал подвергается различным воздействиям, которые мешают процессу передачи. Воздействия могут быть непреднамеренными (вызванными естественными причинами) или специально организованными (созданными) с какой-то целью некоторым противником. Непреднамеренными воздействиями на процесс передачи (помехами) могут являться уличный шум, электрические разряды (в т. ч. молнии), магнитные возмущения (магнитные бури), туманы, взвеси (для оптических линий связи) и т.п.

Рис. 7.1. Общая схема передачи информации

Для изучения механизма воздействия помех на процесс передачи данных и способов защиты от них необходима некоторая модель. Процесс возникновения ошибок описывает модель под названием двоичный симметричный канал (ДСК) , , схема которой показана на рис.7.2.

Рис. 7.2. Схема двоичного симметричного канала

При передаче сообщения по ДСК в каждом бите сообщения с вероятностью может произойти ошибка, независимо от наличия ошибок в других битах. Ошибка заключается в замене знака 0 на 1 или 1 на 0.

Некоторые типы ошибок:

Чаще других встречается замена знака. Этот тип ошибок исследован наиболее полно.

Способы повышения надежности передачи сообщений

Если при кодировании сообщений используются оптимальные коды, то при появлении всего лишь одной ошибки все сообщение или его значительная часть может быть искажена. Рассмотрим пример. Пусть кодирование элементарных сообщений источника осуществляется с использованием кодовой таблицы

Тогда закодированное сообщение имеет вид 011011100110. Если в первом знаке произойдет ошибка, то будет принято сообщение 111011100110, которое декодируется в слово . Полное искажение сообщения из-за одной ошибки происходит вследствие того, что одно кодовоеслово переходит в другое кодовое слово в результате замены одного или нескольких знаков. Пример показывает, что оптимальное кодирование плохо защищает сообщения от воздействия ошибок.

На практике необходим компромисс между экономностью кода и защитой от ошибок.

Сначала удаляется "бесполезная" избыточность (в основном статистическая), а затем добавляется "полезная" избыточность , которая помогает обнаруживать и исправлять ошибки.

Рассмотрим некоторые методы повышения надежности передачи данных. Широко известными методами борьбы с помехами являются следующие :

передача в контексте;

дублирование сообщений;

передача с переспросом.

Рассмотрим подробней каждый из этих способов.

Передача в контексте. С этим хорошо известным и общепринятым способом сталкивался каждый, кто, пытаясь передать по телефону с плохой слышимостью чью-либо фамилию, называл вместо букв, ее составляющих, какие-нибудь имена, первые буквы которых составляют данную фамилию. В данном случае правильному восстановлению искаженного сообщения помогает знание его смыслового содержания.

Дублирование сообщений. Этот способ тоже широко применяется в житейской практике, когда для того, чтобы быть правильно понятым, нужное сообщение повторяют несколько раз.

Передача с переспросом. В случае, когда получатель имеет связь с источником сообщений , для надежной расшифровки сообщений пользуются переспросом, т. е. просят повторить все переданное сообщение или часть его.

Общим во всех этих способах повышения надежности является введение избыточности, то есть увеличение тем или иным способом объема передаваемого сообщения для возможности его правильной расшифровки при наличии искажений.

Следует отметить, что введение избыточности уменьшает скорость передачи информации, так как только часть передаваемого сообщения представляет интерес для получателя, а избыточная его доля введена для предохранения от шума и не несет в себе полезной информации.

Естественно выбирать такие формы введения избыточности, которые позволяют при минимальном увеличении объема сообщения обеспечивать максимальную помехоустойчивость.

В этом разделе мы опишем модели канала, которые будут полезны при синтезе кодов. Наиболее простая – это модель двоичного симметричного канала (ДСК), которая соответствует случаю, когда , и жёсткому решению детектора.

Двоичный симметричный канал. Рассмотрим канал с аддитивным шумом, и пусть модулятор и демодулятор/детектор включены, как части канала.

Рис. 7.1.1. Составной канал, дискретный по входу и по выходу, образованный путём включения в него модулятора и демодулятора/детектора как частей канала

Если модулятор применяет двоичные сигналы, и детектор делает жёсткие решения, то составной канал, показанный на рис. 7.1.1, имеет на входе и выходе двоичную последовательность с дискретным временем. Такой составной канал характеризуется набором возможных входов, набором возможных выходов и набором условных вероятностей возможных выходов при условии возможных входов. Если канальный шум и другие нарушения вызывают статистически независимые ошибки при передаче двоичной последовательности со средней вероятностью , тогда

(7.1.1)

Таким образом, мы свели каскадное соединение двоичного модулятора, канала и двоичного демодулятора и детектора в эквивалентный канал с дискретным временем, который представлен графом на рис. 7.1.2. Этот симметричный канал с двоичным входом и двоичным выходом обычно называют двоичным симметричным каналом (ДСК). Поскольку каждый выходной двоичный символ канала зависит только от соответствующего входного двоичного символа, мы говорим, что этот канал без памяти.

Рис.7.1.2. Двоичный симметричный канал

Дискретные каналы без памяти. ДСК является частным случаем более общего канала с дискретным входом и дискретным выходом. Предположим, что входом кодера канала являются -ичные символы, т.е. , а выходом детектора являются -ичные символы, где . Если канал и модуляция без памяти, тогда характеристика вход-выход составного канала, показанного на рис. 7.1.1, описывается рядом из условных вероятностей

где и . Такой канал называется дискретным каналом без памяти (ДКБП) и его графическое представление показано на рис. 7.1.3. Таким образом, если входом ДКБП является последовательность из символов , выбираемых из алфавита , и соответствующим выходом является последовательность , символов из алфавита , то совместные условные вероятности определяются так:

Рис.7.1.3. Дискретный канал, -ичный по входу и -ичный по выходу

Это выражение – просто математическая констатация условия отсутствия памяти.

В общем, условные вероятности , которые характеризуют ДКБП, могут быть упорядочены в форме матрицы , где, по определению, . называется

матрицей переходных вероятностей канала.

Канал с дискретным входом и непрерывным выходом. Теперь предположим, что на вход модулятора подаются символы, выбираемые из конечного и дискретного входного алфавита , а выход детектора не квантован . Тогда входом декодера канала можно считать любую величину на вещественной оси, т.е. . Это ведет нас к определению составного канала без памяти с дискретным временем, который характеризуется дискретным входом , непрерывным выходом и рядом условных ФПВ .

Наиболее важный канал этого типа - это канал с аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ), для которого

где - гауссовские случайные величины с нулевым средним и дисперсией , а , . Для данного следует, что является гауссовской случайной величиной со средним и дисперсией . Это значит

(7.1.5)

Для любой входной последовательности , имеется соответствующая выходная последовательность

Условие, что канал без памяти, можно выразить так:

Сигнальные каналы. Мы можем отделить модулятор и демодулятор от физического канала и рассмотреть модель канала, в котором входы и выходы являются сигналами. Предположим, что такой канал имеет заданную полосу частот с идеальной частотной характеристикой внутри полосы , а сигнал на его выходе искажен аддитивным белым гауссовским шумом. Предположим, что является частотно-ограниченным входом для этого канала, а - соответствующий выход. Тогда

(7.1.8)

где представляет реализацию аддитивного шумового случайного процесса. Подходящий метод для определения ряда вероятностей, которые характеризуют канал, - это разложить в полный ряд ортонормированных функций. Это значит, мы выражаем в форме

где - ряд коэффициентов в соответствующих выражениях, например

Функции образуют полный ортонормированный ансамбль нa интервале , т.е.

(7.1.11)

где - дельта-функция Кронекера. Поскольку гауссовский шум белый, то в выражениях (7.1.9) можно использовать любой полный ансамбль ортонормированных функций. имеются отсчетов. Этот параметр используется ниже для получения пропускной способности частотно-ограниченного канала с АБГШ.

Выбор модели канала для его использования на определенном временном интервале зависит от объекта исследования. Если мы интересуемся синтезом и анализом качества кодера и декодера дискретного канала, приемлемо рассмотреть модели канала, в которых модулятор и демодулятор являются частью составного канала. С другой стороны, если наша цель - синтез и анализ качества цифрового модулятора и цифрового демодулятора, мы используем модель сигнального канала.

- (ДСК) это простейший канал связи, на вход которого подаются двоичные символы с предположением, что данные всегда будут передаваться корректно. Этот канал часто используется в теории кодирования, как один из самых простейших для анализа… … Википедия

двоичный симметричный канал - Канал передачи данных, в котором вероятности появления ошибок в символах “0” и “1” в среднем одинаковы и отсутствует влияние предыдущих символов на последующие. Достоверность передачи информации не зависит от того, какой… …

- (англ. channel, data line) система технических средств и среда распространения сигналов для передачи сообщений (не только данных) от источника к получателю (и наоборот). Канал связи, понимаемый в узком смысле (тракт связи),… … Википедия

Канал в теории информации, всякое устройство, предназначенное для передачи информации. В отличие от техники, информации теория отвлекается от конкретной природы этих устройств, подобно тому как геометрия изучает объёмы тел, отвлекаясь от… …

Канал связи, переходная функция к рого обладает тем или иным свойством симметрии. Однородный канал без памяти с дискретным временем и конечными пространствами состояний У и компонент сигналов на входе и выходе, задаваемый матрицей переходных… … Математическая энциклопедия

I Канал (от лат. canalis труба, жёлоб) в гидротехнике, искусственное русло (водовод) правильной формы с безнапорным движением воды, устроенное в грунте. К. сооружают в открытой выемке или в насыпи (при пересечении балок, оврагов и др.),… … Большая советская энциклопедия

Цифровой канал передачи - 3.8 Цифровой канал передачи комплекс технических средств и среды передачи, обеспечивающий передачу цифрового сигнала электросвязи со скоростью передачи, характерной для данного канала передачи. Источник …

цифровой канал передачи данных - цифровой канал ПД Канал передачи данных, по которому может передаваться только цифровой сигнал данных. Примечание Цифровому каналу передачи данных присваивается название в зависимости от вида передаваемого сигнала, например, двоичный цифровой… … Справочник технического переводчика

Цифровой канал передачи данных - 164. Цифровой канал передачи данных Цифровой канал ПД Е. Digital data channel Канал передачи данных, по которому может передаваться только цифровой сигнал данных. Примечание. Цифровому каналу передачи данных присваивается название в зависимости… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Раздел математики, исследующий процессы хранения, преобразования и передачи информации. В основе его лежит определенный способ измерения количества информации. Возникшая из задач теории связи, теория информации иногда рассматривается как… … Энциклопедия Кольера

ГОСТ Р 51385-99: Элементы процедур передачи и форматы служебных пакетов (сообщений) в широкополосной цифровой сети интегрального обслуживания с быстрой коммутацией пакетов. Требования к процедурам и форматам - Терминология ГОСТ Р 51385 99: Элементы процедур передачи и форматы служебных пакетов (сообщений) в широкополосной цифровой сети интегрального обслуживания с быстрой коммутацией пакетов. Требования к процедурам и форматам оригинал документа: 2.2… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Обработка информации в вычислительных системах невозможна без передачи сообщений между отдельными элементами (оперативной памятью и процессором, процессором и внешними устройствами). Примеры процессов передачи данных приведены в следующей таблице.

В перечисленных выше процессах передачи можно усмотреть определенное сходство. Общая схема передачи информации , , показана на рис.7.1 .

В канале сигнал подвергается различным воздействиям, которые мешают процессу передачи. Воздействия могут быть непреднамеренными (вызванными естественными причинами) или специально организованными (созданными) с какой-то целью некоторым противником. Непреднамеренными воздействиями на процесс передачи (помехами) могут являться уличный шум, электрические разряды (в т. ч. молнии), магнитные возмущения (магнитные бури), туманы, взвеси (для оптических линий связи) и т.п.

Рис. 7.1.

Для изучения механизма воздействия помех на процесс передачи данных и способов защиты от них необходима некоторая модель. Процесс возникновения ошибок описывает модель под названием двоичный симметричный канал (ДСК) , , схема которой показана на рис.7.2 .

При передаче сообщения по ДСК в каждом бите сообщения с вероятностью может произойти ошибка, независимо от наличия ошибок в других битах. Ошибка заключается в замене знака 0 на 1 или 1 на 0.

Некоторые типы ошибок:

Чаще других встречается замена знака. Этот тип ошибок исследован наиболее полно.

Способы повышения надежности передачи сообщений

Если при кодировании сообщений используются оптимальные коды, то при появлении всего лишь одной ошибки все сообщение или его значительная часть может быть искажена. Рассмотрим пример. Пусть кодирование элементарных сообщений источника осуществляется с использованием кодовой таблицы

Тогда закодированное сообщение имеет вид 011011100110. Если в первом знаке произойдет ошибка, то будет принято сообщение 111011100110, которое декодируется в слово . Полное искажение сообщения из-за одной ошибки происходит вследствие того, что одно кодовое слово переходит в другое кодовое слово в результате замены одного или нескольких знаков. Пример показывает, что оптимальное кодирование плохо защищает сообщения от воздействия ошибок.

На практике необходим компромисс между экономностью кода и защитой от ошибок.

Сначала удаляется "бесполезная" избыточность (в основном статистическая), а затем добавляется "полезная" избыточность , которая помогает обнаруживать и исправлять ошибки.

Рассмотрим некоторые методы повышения надежности передачи данных. Широко известными методами борьбы с помехами являются следующие :

1. передача в контексте;
2. дублирование сообщений;
3. передача с переспросом.

Рассмотрим подробней каждый из этих способов.

1. Передача в контексте. С этим хорошо известным и общепринятым способом сталкивался каждый, кто, пытаясь передать по телефону с плохой слышимостью чью-либо фамилию, называл вместо букв, ее составляющих, какие-нибудь имена, первые буквы которых составляют данную фамилию. В данном случае правильному восстановлению искаженного сообщения помогает знание его смыслового содержания.
2. Дублирование сообщений . Этот способ тоже широко применяется в житейской практике, когда для того, чтобы быть правильно понятым, нужное сообщение повторяют несколько раз.
3. Передача с переспросом . В случае, когда получатель имеет связь с источником сообщений , для надежной расшифровки сообщений пользуются переспросом, т. е. просят повторить все переданное сообщение или часть его.

Общим во всех этих способах повышения надежности является введение избыточности, то есть увеличение тем или иным способом объема передаваемого сообщения для возможности его правильной расшифровки при наличии искажений.

Следует отметить, что введение избыточности уменьшает скорость передачи информации, так как только часть передаваемого сообщения представляет интерес для получателя, а избыточная его доля введена для предохранения от шума и не несет в себе полезной информации.

Естественно выбирать такие формы введения избыточности, которые позволяют при минимальном увеличении объема сообщения обеспечивать максимальную помехоустойчивость.

Принципы обнаружения и исправления ошибок с использованием кодов

Способы введения избыточности, позволяющие обнаруживать и исправлять ошибки, можно разделить на два класса, один из которых соответствует блоковым кодам, а другой - сверточным кодам . Обе схемы кодирования применяются на практике. При блоковом кодировании последовательность, составленная из полученных в результате коди-рования источника кодовых слов, разбивается на блоки одинаковой длины. Каждый блок перед отправкой в канал обрабатывается независимо от других. Выход устройства, выполняющего сверточное кодирование , напротив, зависит не только от обрабатываемых в данный момент знаков, но и от предыдущих знаков. Остановимся более подробно на блоковом кодировании.

Как было показано ранее, ошибка в одном лишь разряде может испортить все сообщение. Чтобы избежать таких тяжелых последствий, сообщения, закодированные каким-либо экономным кодом, перед направлением в канал делятся на блоки одинаковой длины и каждый блок передается отдельно. При этом методы, позволяющие обнаруживать и исправлять ошибки, применяются к каждому блоку. Такой прием напоминает разделение большого судна на несколько изолированных друг от друга отсеков, что позволяет при пробоине в одном отсеке сохранить судно и груз в других отсеках.

Рассмотрим схему передачи данных, показанную на рис.7.3 .

С кодирующего устройства в канал поступают закодированные блоки (кодовые слова) одинаковой длины . В канале в результате действия различных помех в некоторых битах передаваемого сообщения могут происходить ошибки. Процедуру кодирования при передаче и

декодирования при приеме с использованием одной и той же кодовой таблицы иллюстрируем рис.7.4 . Предполагается, что появление ошибок описывается моделью дискретного симметричного канала

В геометрической интерпретации эти блоки можно рассматривать как точки n-мерного пространства , где . Точки этого пространства представляют собой последовательности чисел 0 и 1 длины . Пространства для можно представить в виде угловых точек единичного интервала (), вершин квадрата со стороной, равной 1 (), и вершин куба с ребрами длины 1 (). Эти пространства условно изображены на рис.7.5 .

Код, используемый для обнаружения и исправления ошибок, представляет собой некоторое

Граф переходных вероятностей для такого канала может быть представлен на рис. 9.

Определим С:

Рис. 9. Граф переходных вероятностей К-ичного симметричного канала связи.

Канал со стиранием

Канал со стиранием

Каналом со стиранием в общем случае называется такой канал связи, в котором имеется возможность получить на выходе большее число символов, чем на входе за счет применения многопороговых устройств выявления отдельных символов (чаще всего используются двухпороговые устройства).

Рассмотрим двоичный симметричный канал связи со стиранием.

Рис. 10 Граф переходных вероятностей двоичного симметричного канала со стиранием

q – вероятность правильного приема;
p0 – вероятность ошибочного приема символа;
pC – вероятность получения стертого символа;
yЗ – символ стирания.

Если UС> UП2 , то фиксируется символ “1”.
Если UС< UП1 , то фиксируется символ “0”.
Если UП1 Ј UC Ј UП2 , то фиксируется символ стирания.

В канале связи могут возникать ошибки двух типов: ошибки трансформации и ошибки стирания.

Ошибка трансформации возникает с вероятностью p 0и для двоичного канала связи физически означает трансформацию “0” в “1” или “1” в “0”.

Ошибка стирания возникает с вероятностью pC . Под ней понимают прием вместо “1” или “0” какого-то третьего символа (символа стирания), который указывает на позицию искаженного символа.

Для двоичного симметричного канала связи ошибки трансформации и стирания не зависят от значения передаваемого символа.

Для канала со стиранием выполняется соотношение

p 0+ pC+ q = 1.

Определим скорость передачи информации в таком канале связи.

c = B [H (Y ) – H (Y/X )];

max H [Y ] обеспечивается при p (x 1) = p (x 2) = 0,5.

Равная вероятность приема символа yi имеет место при условии равной вероятности передачи xi , которое является необходимым, но еще недостаточным.

Будем считать, что p (x1 ) = p (x2 ) = 0,5. Тогда энтропия приемника будет максимальной.

В силу симметрии

Окончательно можно записать

Проверим правильность полученной формулы для некоторых уже известных частных случаев.

1. pC= 0

· pC = 0, p 0= 0 (двоичный симметричный канал связи без стирания); c = B .

· pC № 0, p 0= 0 ; этот случай иллюстрирует ситуацию при отсутствии помех в канале связи и применении стирания. При этом скорость передачи информации уменьшается за счет применения стирания;

pC № 0, p 0№ 0 ; в этой ситуации канал связи может быть более “скоростным” лишь при выполнении определенных условий, о которых будет сказано ниже.

Обобщим изложенное по поводу ошибок, возникающих в канале связи.

В “обычном” канале связи возможна ошибка только одного вида: символ одного значения преобразуется в символ другого значения (то есть трансформируется). Такая ошибка называется ошибкой трансформации.

В канале связи со стиранием возможны ошибки двух видов: трансформации и стирания, когда символы переходят не друг в друга, а в символ стирания.

Исправить легче ошибку типа стирания, так как ее позиция в сигнале известна. Позиция трансформированного символа неопределенна, хотя если бы она была известна, можно было бы исправить ее сразу же. Практика показала, что основные усилия при исправлении принятых кодовых сообщений тратятся на поиск позиций трансформировавшихся символов.

Идеальным вариантом, с точки зрения скорости поиска искаженных позиций, является наличие ошибок только типа стирания.

Все полученные результаты можно обобщить для k -ичного канала связи со стиранием, в котором на входе присутствует k символов, а на выходе – (2k – 1).