Лекция: Защита от ошибок
При передаче данных по коммуникационным каналам существует вероятность появления ошибок. Это связано с тем, что канал передачи данных обычно подвергается воздействию различных искажений, вызванных шумом, который может иметь как естественную природу, так и создаваться используемым оборудованием. Например, в телефонной линии искажения могут возникнуть из-за воздействия природных электрических разрядов, перекрестных наводок от других линий, теплового шума, работы коммутирующих устройств и др. Процесс защиты от ошибок включает в себя обнаружение и исправление ошибок. Обнаружение ошибок осуществляется, как правило, путем анализа последовательности символов на принадлежность ее к определенному классу структур. Существуют два основных подхода к исправлению ошибок. Первый подход базируется на использовании различных методов локализации и исправления ошибок в принимающем устройстве. Во втором случае используются методы определения лишь факта появления ошибок, исправление которых осуществляется за счет повторной передачи сообщения. Выбор того или иного способа защиты от ошибок зависит от ряда факторов, таких как тип используемого канала, скорость передачи данных, вероятность появления ошибки и др.
Как уже отмечалось, к передаче данных по каналам связи предъявляются достаточно высокие требования по надежности и достоверности, которые значительно выше тех, которые предъявляются к аналоговым каналам связи. Поэтому при использовании в системах телеобработки каналов данного типа вопросы защиты от ошибок приобретают особое значение, решение которых обычно связано с использованием специальных методов представления (кодирования) информации. В работах Шеннона показано, что при соответствующем кодировании информации количество ошибок может быть снижено до любого требуемого уровня. Для этого предполагается использоватьизбыточное кодирование, суть которого заключается в том, что исходная последовательность символов, называемая информационной последовательностью, в соответствии с некоторыми правилами преобразуется в двоичную последовательность большей длины. Сформированная таким образом последовательность символов получила названиекодового слова. Например, за счет добавления r проверочных символов к исходной последовательности, состоящей из k символов, образуется кодовое слово длиной n=k+r. В общем случае число разрядов n позволяет представить 2n различных комбинаций двоичных последовательностей. В свою очередь для представления множества слов исходной информационной последовательности достаточно 2k комбинаций кодовых слов, оставшаяся часть кодовых слов (2r) является избыточной, появление которой при передаче информации рассматривается как ошибка. Выявление и получение по каналам связи искаженных (запрещенных) последовательностей символов и лежит в основе методов обнаружения и коррекции ошибок. Успешное решение этой задачи во многом зависит от правил представления исходной информационной последовательности в виде кодового слова, т.е. кодирования информации. Устройство, осуществляющее кодирование информации, получило название – кодер, соответственно, декодирующее устройство называется декодером. Кодек является основным элементом устройства защиты от ошибок, который в современных условиях реализуется в одной интегральной микросхеме и совмещается с устройствами преобразования сигналов, в частности с модемами.
Модемы
Вычислительная техника – это по сути импульсная техника, в которой данные представляются в виде дискретных электрических сигналов, соответствующих цифрам двоичной системы счисления (1, 0), передача которых по аналоговым каналам связи имеет свою специфику, связанную с тем, что любая периодическая функция с периодом Т представляется в виде некоторого (возможно бесконечного) числа синусоид и косинусоид:
,
где — базовая частота, а и - амплитуды синусоид и косинусоид n-той гармоники. Такая декомпозиция называется рядом Фурье, который используется для восстановления формы сигнала. Количество гармонических составляющих зависит от формы сигнала, и чем больше он отличается от синусоидального, тем большее число гармоник присутствует в передаваемом сигнале. Следует отметить, что максимальное число гармоник содержится в сигнале прямоугольной формы. В случае непериодической функции ее разложение рассматривается на некотором фиксированном интервале. Это справедливо и для передачи данных, так как сигнал данных имеет конечную длительность.
Среднее квадратичное нескольких первых гармоник показано на рис. 2.4.а справа, квадраты этих значений пропорциональны энергии, передающейся с соответствующей частотой, к сожалению. Невозможно передавать сигналы без потери части энергии в передающих средствах, которые уменьшают различные компоненты Фурье на различные величины, что неизбежно вызывает искажения.
Обычно сигналы передаются, существенно не уменьшаясь, до некоторой частоты . Для всех частот выше этой граничной частоты компоненты сильно затухают, это обуславливается физическими свойствами передающих средств.
Рис. 2.4. Временные диаграммы дискретных сигналов
Представим прямоугольный сигнал, когда полоса частот настолько узка, что могут передаваться только нижние частоты, т.е. функция аппроксимируется несколькими первыми гармониками уравнения. Рис 2.4.б показывает, как будет выглядеть прямоугольный сигнал, пройдя через канал, пропускающий только первую гармонику. Аналогично рисунки 2.4.в — 2.4.д показывают спектр и сигнал для нескольких гармоник.
Таким образом, для передачи электрических сигналов прямоугольной формы требуются достаточно широкополосные и высококачественные каналы передачи. С другой стороны, при передаче дискретных данных нет необходимости в непосредственной передаче прямоугольных сигналов, достаточно преобразовать такие дискретные сигналы в аналоговые сигналы переменного тока посредством модуляции.
Суть метода модуляции заключается в том, что в передающем устройстве электрические колебания несущей частоты модулируются дискретными двоичными сигналами передаваемых данных, а на приемном устройстве происходит обратное преобразование (демодуляция), т.е. восстановление первоначальной формы двоичного сигнала. Таким образом, дискретные прямоугольные сигналы преобразуются в сигналы переменного тока и затем передаются по телефонным каналам связи. На приемном устройстве осуществляется обратная операция — восстановление прямоугольного дискретного сигнала по переменному. Подобные преобразования осуществляются в специальных устройствах — модемах. Модем- это устройство преобразования сигналов, название которого является сокращением двух слов «МОдуляция-ДЕМодуляция», что отражает основную функцию устройства — преобразование дискретных сигналов в переменные и наоборот. Аналогичные преобразования сигналов осуществляются при передаче компьютерной информации по радиоканалам.
Широкий набор различных типов модемов определяет целесообразность их классификации, которая в свою очередь осуществляется по ряду признаков. Так в зависимости от используемого вида модуляции различают модемы с амплитудной, частотной и фазовой модуляцией. При амплитудной модуляции единичное и нулевое значения дискретных сигналов представляются синусоидальными сигналами несущей частоты с различными амплитудами. При частотной модуляции изменения (переключения) дискретного сигнала приводят к изменению частоты колебания задающего генератора, т.е. единица и нуль кодируются различной частотой колебаний. При фазовой модуляции переключение дискретного сигнала кодируется изменением фазы сигнала несущей частоты на 180 градусов. Все три типа модемов находят широкое применение в системах телеобработки. Выбор того или иного типа модема определяется характеристиками канала связи, в частности уровнем помех в нем.
Большинство признаков классификации связано с используемыми каналами передачи данных. Так, в зависимости от типа каналов различают коммутируемые и некоммутируемые модемы.Коммутируемыми называются модемы, способные самостоятельно установить (скоммутировать) требуемое соединение, т.е. выполнить функции автоматического набора телефонного номера и автоответа. Если же модем может работать только с одной специально выделенной для него линией связи или же требует каких-то ручных действий по коммутации линии (т.е. не может сам ее скоммутировать), то такой модем называетсянекоммутируемым. Следует отметить, что такое разделение модемов достаточно условно, так как некоторые коммутируемые модемы могут (с помощью специальных переключателей) работать и как некоммутируемые.
По режимам обмена данными различают модемы с симплексной, полудуплексной и дуплексной передачей данных. В современных системах телеобработки преимущественно используются модемы с дуплексным и полудуплексным режимами передачи. Модем, поддерживающий дуплексный режимом передачи, состоит из четырех основных элементов: передатчика, осуществляющего модуляцию входных сигналов и передачу их в канал связи; приемника, осуществляющего обратное преобразование сигналов, поступающих по каналам связи; генератора синхросигналов, обеспечивающего синхронизацию работы всех блоков модема; устройства управления, вырабатывающего необходимые управляющие сигналы.
Данный модем часто называют четырехпроводным, так как он использует два провода для передачи и два провода для приема данных. По сравнению с двухпроводными модемами четырехпроводные модемы обеспечивают более высокую скорость обмена данными.
Модем с полудуплексным режимом передачи должен обеспечивать изменение направления передачи сигналов по каналам связи, для этого, по сравнению с модемом с дуплексной передачей, дополнительно вводится специальный переключатель, осуществляющий переключение модема из режима передачи в режим приема и обратно. Функции такого переключателя в модемах может выполнять гибридный трансформатор. Разделение модемов по данному признаку достаточно условно: некоторые модемы могут работать в дуплексном режиме по выделенным линиям связи и в полудуплексном по коммутируемым линиям.
По скорости передачи данных модемы, как и каналы связи, подразделяются на низкоскоростные, среднескоростные и высокоскоростные.
Определяющим фактором для модема также является используемый метод передачи: асинхронный или синхронный.
По конструктивному исполнению различают внутренние и внешние модемы. Внутренний модем (Internal) представляет собой плату, которая вставляется внутрь компьютера или устройства и получает от него электропитание. При выключении компьютера (устройства) автоматически выключается и модем. Внешний модем (External) смонтирован в небольшой коробке и имеет автономное электропитание. Внешний модем, как правило, имеет световые индикаторы, показывающие его состояние. Такие модемы подключаются к последовательному асинхронному интерфейсу или же к специальной плате внутри компьютера или устройства ввода-вывода. В частности для IBM совместимых компьютеров внешнее подключение осуществляется через СОМ-порты.
Современные модемы являются достаточно сложными коммуникационными устройствами, имеющими определенный «уровень интеллекта». Это находит отражение в выполняемых ими функциях и в конечном итоге в стоимости. Модемы, выполняющие в основном только функции модуляции-демодуляции, называются «неинтеллектуальными». Модемы, построенные на основе микропроцессоров, как правило, выполняют более сложные функции, например, контроль и коррекцию ошибок, сжатие (компрессирование) данных, шифрование данных и др. Такие модемы называются «интеллектуальными». В настоящее время среди аппаратных протоколов коррекции ошибок и сжатия информации наиболее распространенным является набор протоколов МNР (Microcom Network Protokol), впервые реализованный на модемах фирмы Microcom.
Особо следует отметить способность интеллектуальных модемов самостоятельно изменять скорость передачи. При этом постоянно анализируется уровень возникновения ошибок в линии связи и, если их много, модемы извещают друг друга о понижении скорости.
Важную роль в системах передачи данных имеет стандартизация модемов, так как она дает возможность использовать модемы различных фирм в рамках одной системы. Наиболее полный перечень модемных стандартов представлен МККТТ. Индексы этих стандартов, называемых рекомендациями, начинаются с буквы V, например, V.22, V.25, V.29, V.32. Данные стандарты определяют практически все параметры модемной связи и условно могут быть разделены на пять групп. К первой группе относятся стандарты, определяющие общие рекомендации, такие как, электрические характеристики цепей обмена, уровни мощности при передаче данных, кодирование символов и их соответствие значащим позициям сигналов, подключение модемов к каналам передачи данных и другие.
Одной из наиболее важных является рекомендация V.42, определяющая аппаратную реализацию механизма защиты от ошибок и протокол компрессии (сжатия информации), позволяющий определять частоту появления последовательности одинаковых символов и производить замену (кодировать) их на последовательности символов меньшей длины. Ко второй группе можно отнести рекомендации для асинхронных модемов V.21 и V.23:
· рекомендация V.21 определяет требования к модемам, работающим со скоростью передачи данных 200/300 бит/с и предназначенным для использования в общей коммутируемой телефонной сети;
· рекомендация V.23 определяет требования к модемам, предназначенным для использования в общей коммутируемой телефонной сети, работающим со скоростью передачи данных 600/1200 бит/с.
Третью группу составляют рекомендации для асинхронно-синхронных модемов V.22, V.22 bis, V.32:
· рекомендация V.22 определяет требования к модемам, обеспечивающим скорость передачи данных до 1200 бит/с и предназначенных да использования в общей коммутируемой телефонной сети, модемы данного типа используют асинхронно-синхронный дуплексный режим работы;
· рекомендация V.22 bis, по сравнению с рекомендацией V.22, определяет более высокую (2400 бит/с) скорость передачи данных;
· рекомендация V.32 так же, как и две предыдущие рекомендации, определяет требования к модемам, предназначенным для использования в общей коммутируемой телефонной сети, однако предполагает скорость передачи данных 9600 бит/с.
К четвертой группе относятся рекомендации для синхронных модемов V.26, V.27, V.29 со скоростью передачи данных 9600 бит/с.
Пятую группу составляют рекомендации V.35, V.36, V.37, определяющие требования к синхронным модемам, обеспечивающим передачу данных со скоростью 48, 72, 168 Кбит соответственно.