3. Виграш від кодування

Звичайно якість передачі цифрової інформації каналами зв’язку визначається імовірністю спотворення символу  через імовірність спотворень двійкових символів (біт) Р_сп, яка, як уже згадувалось, є наслідком природних впливів у каналах ТКМ через зменшення співвідношення енергетик сигнал / шум (сигнал / завада) в місці (точці приймання) сигналу. Це співвідношення визначає правильність інформації, визначену, наприклад, через імовірність спотворень двійкових символів (біт) Р_сп чи через цілісність (вірність) інформації Р_п. Нагадаємо, що для підвищення цілісності (вірності) інформації необхідно підвищувати співвідношення сигнал/шум (сигнал / завада) шляхом підвищення потужності переданих сигналів або зниження рівня шумів (завад) у каналах зв’язку.

Використання завадостійкого кодування дозволяє досягнути підвищення цілісності інформації, не змінюючи співвідношення сигнал/шум (сигнал / завада) в місці (точці приймання) сигналу. Іншими словами, використання завадостійкого кодування дозволяє досягнути енергетичного виграшу в телекомунікаційних системах.

Відомо, що якість завадостійкого кодування можна оцінювати при цьому асимптотичним виграшем, який залежить від відносної швидкості коду R і здатності коду виявляти спотворення, яка визначається величиною t–кратністю спотворень. Наприклад, для найбільш розповсюдженого випадку фазової модуляції імовірність спотворень двійкових символів (біт)

Р_сп ≈ {Q[2Rh²]^1/2}^t+1, (5.1)

де h² = Е_с/Е_з = Р_с/Р_з – співвідношення сигнал / завада в точці приймання, Е_с (Е_з) – енергія сигналу (завади), Е_с = τ_сР_с, τ_с – тривалість сигналу, Р_с (Р_з) – потужність сигналу (завади),

Q[α] = 1/[(2π)^1/2] exp ( x²/2) dx.

При передачі без кодування (R = 1, t = 0)

Р^/_сп ≈ {Q[2(h^/)²]^1/2} (5.2)

З цією метою з урахуванням того, що при достатньо великих співвідношеннях (не менше 3) сигнал / завада Q[α] ≈ exp ( α²/2) із (5.1) і (5.2) найдемо зміну енергії сигналу, необхідну для досягнення однієї і тієї ж імовірності спотворення. Для цього прирівняємо праві частини цих виразів:

{Q[2Rh²]^1/2}^t+1 = {Q[2(h^/)²]^1/2},

{exp ([(Rh)^1/2]²)} ^(t+1) = exp ((h^/)²).

Звідси після логарифмування отримаємо

g = (h^/)² / h² = R(t+1).

Отже, асимптотичний виграш від кодування дорівнює g або в децибелах

G = 10 lg [R(t+1)].

3. Захист від спотворень при використанні передачі зі зворотним зв’язком

   1. Методи захисту від спотворень при використанні передачі зі зворотним зв’язком

Такі методи організації обміну можливі тоді, коли інформація може передаватися не лише від одного абонента до іншого, але й у зворотному напрямі. У цих умовах є можливість використовувати зворотний потік інформації для істотного підвищення правильності інформаційних блоків, пакетів, кадрів, комірок, переданих у прямому напрямі. При цьому не виключено, що обома каналами (прямому і зворотному) в основному передаються кадри у двох напрямах («дуплексний зв’язок») і лише частина пропускної здатності кожного із каналів використовують для передачі додаткових даних, призначених для підвищення правильності.

Сутність методів захисту від спотворень при використанні передачі зі зворотним зв’язком полягає в тому, щоби виявити наявність чи відсутність спотворень в переданій інформації і, опираючись на ці знання, прийняти рішення щодо повторної, можливо багаторазової, передачі усієї інформації чи лише її спотвореної частини. Для цього, зрозуміло, потрібен зв’язок не лише від передавача до приймача, а й від приймача до передавача.

Системи передачі із зворотнім зв’язком поділяються на системи з вирішувальним зворотним зв’язком (ВЗЗ) і системи з інформаційним зворотним зв’язком.

У системах з інформаційним зворотним зв’язком передача інформації здійснюється без завадостійкого кодування. Приймач, прийнявши інформацію по прямому каналу і зафіксувавши її у своїй пам’яті, передає її в повному об’ємі по каналу зворотного зв’язку передавачу, де передана і повернена інформація порівнюється. У разі збігу передавач надсилає приймачу сигнал підтвердження, в іншому випадку відбувається повторна передача усієї інформації. Таким чином, тут рішення про необхідності повторної передачі приймає передавач. На підставі цієї інформації передавальний пристрій може вносити ті або інші зміни в процес передачі кадру:

– повторити помилково прийняті відрізки кадру;

– змінити вживаний код (передавши попередньо відповідний умовний сигнал і переконавшись у тому, що його прийнято);

– припинити передачу при поганому стані каналу до його поліпшення.

Особливістю систем з вирішувальним зворотним зв’язком (інакше: систем з перезапитом) є те, що рішення щодо необхідності повторної передачі інформації (кадр, пакету) приймає приймач. Тут обов’язково застосовується завадостійке кодування, за допомогою якого на приймальній станції здійснюється перевірка інформації, що приймається. При виявленні спотворення на передавальну сторону по каналу зворотного зв’язку надсилається сигнал перезапиту, по якому інформація передається повторно. Канал зворотного зв’язку використовується також для надсилання сигналу підтвердження правильності прийому, що автоматично визначає початок наступної передачі.

Обидві розглянуті системи забезпечують практично однакову достовірність, однак у системах з вирішувальним зворотним зв’язком пропускна знатність каналів використовується ефективніше, тому вони більше поширені.

Найбільш поширені системи з ВЗЗ з виявленням спотворень. Такі системи часто називають системами з перезапитом, або з автоматичним запитом спотворень (АЗВ  ARQ, Automatic Repeat request).

Можливий ряд варіантів механізмів ВЗЗ. Кожен правильно прийнятий кадр, пакет, комірка може підтверджуватися окремим спеціальним кадром, або підтвердження може бути вставлене в полі управління інформаційних кадрів, що переносять дані у зворотному напрямі. В останньому випадку також повинні застосовуватися спеціальні кадри підтвердження, оскільки інформаційного кадру в потрібний момент може не виявитися.

Існує два види підтвердження про прийом: позитивне (V  АСК) і негативне (W  NACK або NAK). Але в будь-якому разі для запобігання перевантаженням повинні застосовуватися перерви. Передавальна сторона, що не одержала відповіді (АСК або NACK) протягом заданого проміжку часу після передачі, повторює відповідний кадр. Щоб організувати процедуру перерв, кадри повинні зберігатися в накопичувачі передавальної сторони до отримання підтвердження правильності передачі.

Існують три основні способи обробки відповідей на позитивні і негативні підтвердження:

1. ВЗЗ з послідовною передачею кадрів, пакетів, комірок, який називають також ВЗЗ  ПП, потоковим методом передачі (ВЗЗ  ПП, ПМП).

2. Стартстопний, або передача із зупинкою і очікуванням  ВЗЗ з очікуванням (СМП, ВЗЗ  ОЧ), який часто називають блочним методом передачі.

3. Метод вибіркового (селективного) повтору або ВЗЗ з адресним перезапитом (МВП, ВЗЗ  АП).

Коротко розглянемо принципи роботи перерахованих процедур.