ast-toi-uch-pos

Асинхронная передача позволяет передавать информацию с устройств, которые выдают ее асинхронно во времени (например, клавиатура). Однако скорость передачи информации при асинхронном методе низка, так как велика ее избыточность из-за большого числа служебных сигналов. Синхронный метод обеспечивает большую скорость передачи данных из-за меньшей

избыточности информации, но требует более сложной аппаратуры.

Синхронная передача. Передающее устройство устанавливает одно из двух возможных состояний сигнала (0 или 1) и поддерживает его в течение определенного времени, по истечении которого состояние сигнала на передающей стороне может быть изменено. Время передачи сигнала складывается из времени распространения сигнала по линии и времени распознавания и фиксации сигнала в регистре приемного устройства. Пусть Т — максимальное время передачи сигнала с учетом наихудших условий. Тогда для синхронной передачи информации должно выполняться условие τ ≥ Т, где τ — период, в течении которого передатчик поддерживает состояние сигнала.

Асинхронная передача. Передающее устройство устанавливает соответствующее передаваемому коду состояние сигнала на линии. Принимающее устройство после приема сигнала информирует об этом передатчик, изменяя состояние сигнала на линии. Передающее устройство, получив сигнал о приеме, снимает передаваемый сигнал. Таким образом, период τ, является переменным и зависит от характеристик конкретной линии связи и устройств, участвующих в передаче.

Пусть t — время передачи нового состояния сигнала в один конец линии связи. Тогда при асинхронной передаче должно выполняться условие τ ≥ 2t. Обычно время 2t значительно меньше времени Т, которое выбирается, исходя из максимально возможных расстояний между устройствами. При передаче параллельного кода по параллельным линиям сигналы поступают в приемное устройство в разное время из-за разброса параметров цепей, формирующих сигналы, и линий интерфейса. Максимальный разброс времени передачи Т=мах{| ti-tj|}

Передача со стробированием (синхронная передача). Информация передается по линиям Л1, ...,Лn в интервале времени, когда сигнал на линии Л0 соответствует 1. При нулевом сигнале на линии Л0 сигналы на шинах Л1, ...,Лn не имеют смысла. Для гарантированной передачи данных по линиям Л1,..., Лn передаваемый код устанавливается как минимум на время Т раньше, чем появляется единичный сигнал на линии Л0. Снятие передаваемого кода с линий Л 1, ..., Лn может закончиться на время Т позже времени установления нулевого состояния на линии Л0.

Передача с квитированием (асинхронная передача). Сигнал на линии Л0

сигнализирует приемнику, что передатчик подготовил передаваемую информацию на линиях Л1 ..., Лn. Сигнал на линии Лn+1 сигнализирует передатчику, что приемник принял передаваемую информацию. Приняв сигнал по линии Лn+1, передатчик снимает информацию с линий Л1, ..., Лn и гасит сигнал на линии Л0. Отсутствие сигнала на линии Л0 сигнализирует приемнику об окончании передачи данных. После этого приемник гасит сигнал на линии Лn+1. Отсутствие сигнала на линии Лn+1 сигнализирует передатчику о готовности приемника к приему следующей порции данных.

Передача с квитированием используется, когда приемное устройство не всегда готово к приему информации (занято выполнением других операций). Передача со стробированием используется главным образом для пересылок информации внутри устройства, например, между регистрами.

1.3 БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ИНФОРМАЦИИ

Теория информации рассматривается как существенная часть кибернетики.

Кибернетика — это наука об общих законах получения, хранения, передачи и переработки информации.

100

Родоначальниками кибернетики (датой ее рождения считается 1948 год, год соответствующей публикации) считаются американские ученые Норберт Винер (он — прежде

всего) и Клод Шеннон (он же основоположник теории информации).

Теория информации тесно связана с такими разделами математики как теория вероятностей и математическая статистика, а также прикладная алгебра, которые предоставляют для нее математический фундамент. С другой стороны теория информации исторически и практически представляет собой математический фундамент теории связи. Часто теорию информации вообще рассматривают как одну из ветвей теории вероятностей или как часть теории связи. Таким образом, предмет "Теория информации" весьма узок, т.к. зажат между "чистой" математикой и прикладными (техническими) аспектами теории связи.

Теория информации представляет собой математическую теорию, посвященную измерению информации, ее потока, "размеров" канала связи и т.п., особенно применительно к радио, телеграфии, телевидению и к другим средствам связи. Первоначально теория была посвящена каналу связи, определяемому длиной волны и частотой, реализация которого была связана с колебаниями воздуха или электромагнитным излучением. Обычно соответствующий процесс был непрерывным, но мог быть и дискретным, когда информация кодировалась, а затем декодировалась. Кроме того, теория информации изучает методы построения кодов.

Информация — нематериальная сущность, при помощи которой с любой точностью можно описывать реальные (материальные), виртуальные (возможные) и понятийные сущности. Информация — противоположность неопределенности.

Канал связи — это среда передачи информации, которая характеризуется в первую очередь максимально возможной для нее скоростью передачи данных (емкостью канала связи).

Шум — это помехи в канале связи при передаче информации.

Кодирование — преобразование дискретной информации одним из следующих способов: шифрование, сжатие, защита от шума.

Скорость передачи данных в канале связи без шума может быть не меньше, чем максимальная частота волновых процессов, допустимая в этом канале.

При предельной частоте, равной 1000Гц, можно обеспечить скорость передачи данных не меньше 1Кбод.

Примеры каналов связи и связанных с ними предельных частот: телеграф - 140Гц, телефон - до 3.1КГц, короткие волны (10-100м) - 3-30МГц, УКВ (1-10м) - 30-300МГц, спутник (сантиметровые волны) - до 30ГГц, оптический (инфракрасный диапазон) - 0.15-400ТГц, оптический (видимый свет) - 400-700ТГц, оптический (ультрафиолетовый диапазон) - 0.7-1.75ПГц.

Рис. 1 Передача информации по каналу связи

1.4 КАНАЛЫ СВЯЗИ

Канал связи — совокупность средств, обеспечивающих передачу сигналов; физическая среда и аппаратурные средства, осуществляющие передачу информации от одного узла коммутации к другому либо к абоненту связи.

Физическая среда — пространство или материал, обеспечивающие распространение сигналов (проводная воздушная или кабельная линия, скрученная пара проводов, коаксиальный кабель, стекловолоконная линия, эфир).

101

По телеграфным каналам информация передается в дискретной форме, что облегчает их сопряжение с ЭВМ. По телефонным каналам информация передается в аналоговой форме, что усложняет сопряжение этих каналов с ЭВМ.

Канал информационный — это совокупность устройств, объединенных линиями связи, предназначенных для передачи информации от источника информации (начального

устройства канала) до ее приемника (конечного устройства канала).

Технические характеристики канала определяются принципом действия входящих в него устройств, видом сигнала, свойствами и составом физической среды, в которой распространяются сигналы, свойствами применяемого кода.

Эффективность канала характеризуется скоростью и достоверностью передачи информации, надежностью работы устройств и задержкой сигнала во времени.

Задержка сигнала во времени — это интервал времени от отправки сигнала

передатчиком до его приема приемником.

Математически канал задается множеством допустимых сообщений на входе, множеством допустимых сообщений на выходе и набором условных вероятностей

получения сигнала на выходе при входном сигнале . Условные вероятности описывают статистические свойства "шумов" (или помех), искажающих сигнал в процессе

передачи. В случае, когда при и при , канал называется каналом без "шумов".

В соответствии со структурой входных и выходных сигналов выделяют дискретные и непрерывные каналы. В дискретных каналах сигналы на входе и выходе представляют собой последовательность символов одного или двух (по одному для входа и выхода) алфавитов. В непрерывных каналах входной и выходной сигналы представляют собой функции от непрерывного параметра-времени. В случае смешанных или гибридных каналов их дискретные и непрерывные компоненты рассматриваются раздельно.

Канал передачи данных — канал связи, оснащенный аппаратурой для передачи

дискретной информации.

По направлениям передачи информации различают каналы:

•симплексные; позволяют передавать данные только в одном направлении;

•полудуплексные; передают данные в обоих направлениях, но не одновременно;

•дуплексные; позволяют передавать одновременно данные в обоих направлениях.

Передача дискретной (двоично-кодированной) информации по аналоговым каналам связи осуществляется путем модуляции в передающем пункте колебаний несущей частоты.

Уплотнение каналов связи — статическое разделение канала, при котором определенные полосы частот (или периоды времени) выделяются в фиксированном порядке для использования в качестве отдельных каналов.

Концентрация каналов связи — динамическая процедура распределения меньшего числа более скоростных выходных каналов между большим числом менее скоростных входных каналов.

Коммутация каналов связи — совокупность операций по соединению каналов для получения сквозного канала, который связывает через узлы коммутации один абонентский пункт с другим.

Коммутация сообщений — передача информации с запоминанием в промежуточных узлах сети передачи данных без установления физического соединения между

пунктами отправления и назначения.

Между пунктами устанавливается виртуальное или логическое соединение. Каждое сообщение снабжается заголовком и передается как единое целое. Поступившее в узел сообщение запоминается в буфере и когда освобождается соответствующий канал связи, передается в следующий соседний узел. Сообщение как бы прыгает от узла к узлу, занимая в каждый момент передачи только канал между соседними узлами.

102

1.5 ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ ПО КАНАЛАМ СВЯЗИ

Различные по физической природе сообщения (цифровые данные, речь, результаты измерений различных физических величин) предварительно должны быть преобразованы в электрические колебания, сохраняющие все свойства исходных сообщений. Для экономного использования линии связи и уменьшения влияния помех передаваемая информация может быть преобразована с помощью кодирующего устройства.

Преобразование включает статистическое помехоустойчивое кодирование. В результате на выходе кодирующего устройства образуется последовательность, которую передатчик преобразует в форму, удобную для передачи по линии связи.

Линия связи — это среда, по которой передаются сигналы от передатчика к

приемнику.

На вход приемника попадают сигналы и различные помехи. Приемник выделяет из смеси сигнала и помех последовательность, которая должна соответствовать последовательность на выходе кодирующего устройства. Но из-за действия помех и влияния среды полное соответствие получить невозможно. Полученная последовательность вводится в декодирующее устройство, которое преобразует ее в последовательность, соответствующую переданной. Полнота этого соответствие зависит от корректирующих возможностей кодированной последовательности, уровня сигнала и помех, свойств кодирующего устройства. После декодирования последовательность поступает к получателю информации.

Пусть передатчик описывается случайной величиной, , тогда из-за помех в

канале связи на приемник будет приходить случайная величина, , где — это случайная величина, описывающая помехи. Можно говорить о количестве информации, содержащейся в случайной величине, , относительно . Чем ниже уровень помех, тем больше информации можно получить из . При отсутствии помех содержит в себе всю информацию об .

Основным показателем качества передачи является достоверность информации.

Достоверность передачи информации характеризуется коэффициентом ошибок:

Кош.=Nош./N,

где Nош. — количество неверно принятых сообщений; N — общее количество переданных сообщений.

При увеличении N коэффициент ошибок стремится к вероятности ошибки:

Pош. = lim Nош. / N .

N→∞

1.5.1 Помехи в каналах связи

При передаче по каналу связи информация подвергается воздействию помех.

Флуктуационная помеха представляет собой напряжение, меняющееся во времени случайным образом; причина — тепловые шумы линии, элементов аппаратуры: действуют непрерывно в течении длительного времени.

Гармоническая помеха приближенно описывается синусоидальным колебанием; возникает в самой аппаратуре из-за проникновения в канал различных несущих колебаний; действует непрерывно

Импульсной помехой называется помеха, пиковое значение которой соизмеримо с амплитудой полезного сигнала или превышает ее; появляются пачками, по несколько помех в пачке. Действуют на сигнал в отдельные моменты времени.

По типу источников импульсные помехи делятся на:

•естественного происхождения;

•промышленные;

•возникающие в аппаратуре.

103

1.5.2Передача информации по каналу без помех

Пусть через канал связи без помех передается последовательность дискретных сообщений длительностью T. Тогда скорость передачи информации по каналу связи будет:

lim(I /T) = V[бит/ с],

T→∞

где I — количество информации, содержащейся в последовательности сообщений. Предельное значение скорости передачи информации — пропускная способность канала связи — определяется выражением

C = Vmax = lim (Imax / T ) .

T→ ∞

Скорость передачи информации измеряется в количестве переданных за одну секунду бит или в бодах (baud): 1бод = 1бит/сек (bps). Производные единицы для бода такие же, как и для бита и байта, например, 10Kbaud = 10240baud.

Пропускная способность не зависит от скорости передачи информации и выражается максимальным количеством двоичных единиц информации, которое данный канал связи может

передать за одну секунду.

Основное условие согласования источника информации и канала связи: V<=C. Согласование осуществляется путем кодирования сообщений.

Способность канала передавать информацию характеризуется числом —

пропускной способностью или емкостью канала ( ). Емкость канала без помех:

бод.

На рисунке 2 приведена схема процесса прохождения информации по каналу с описанными в примере характеристиками.

Рис. 2 прохождения информации по каналу без помех

Здесь для кодирования 0 используется низкий уровень сигнала, для 1 — высокий.

В случаях, когда нужно передавать много сплошных нулей или единиц, малейшее рассогласование синхронизации между приемником и передатчиком приводит тогда к неисправимым ошибкам. Магнитные носители информации не могут поддерживать длительный постоянный уровень сигнала.

1.5.3 Передача информации по каналу с помехами

При передаче информации через канал с помехами сообщения искажаются; количество получаемой информации уменьшается на величину неопределенности, вносимой помехами:

I = H(i) – Hj(i), где H(i) — энтропия источника сообщений; Hj(i) — энтропия сообщений на приемной стороне.

Выражение для скорости передачи по каналу связи с помехами: V ' = limT →∞ (I /T) = limT→∞ ((Hi − H j (i)) /T).

104

Если энтропия источника информации не превышает пропускной способности канала (H<=C), то существует код, обеспечивающий передачу информации через канал с помехами со сколь угодно малой частотой ошибок.

Пусть Wc — средняя мощность сигнала; Wш — средняя мощность помех. Тогда для канала с высоким уровнем шумов (Wш>>Wc) максимальная скорость передачи близка к нулю.

1.6 КОММУТАЦИЯ В СЕТЯХ

Распределением информационных потоков занимается система коммутации, включающая:

•собственно сеть;

•коммутационные станции и узлы коммутации;

•системы подключения пользователей.

Узлы коммутации обеспечивают установление, поддержание и разъединение соединений между терминалами (телефонный аппарат, компьютер).

Непосредственное соединение осуществляется физическим соединением входящих в узел коммутации каналов с исходящими каналами в соответствии с адресом.

1.6.1 Соединение с накоплением информации

Сигналы из входящих каналов записываются в ЗУ, а оттуда через определенное время поступают в исходящие каналы. Если в момент прихода сигнала по входящему каналу требуемый исходящий канал занят, то возможны два решения:

1.Источник сообщений уведомляется о невозможности установления соединения в данный момент (это система с отказами); попытки повторяются до получения положительного результата.

2.Входящее сообщение запоминается и передается в исходящий канал по его освобождении (это система с ожиданием).

В первом случае ЗУ находится в самой системе (децентрализовано), во втором —

вузле коммутации (централизовано).

1.6.2 Коммутация каналов

Устанавливается физическое соединение между пунктами отправления и назначения (источником и адресатом) путем образования составного канала из последовательно соединенных отдельных канальных участков. Пункт отправления посылает сигнализирующее сообщение, которое, перемещаясь по сети передачи данных от одного узла коммутации каналов к другому, прокладывает путь от источника к пункту назначения. Этот путь (составной канал) состоит из физических каналов, имеющих одну и ту же скорость передачи данных. Из пункта назначения в источник посылается сигнал обратной связи. Затем из источника передается сообщение по установленному пути с одновременным использованием всех образующих его каналов. В это время каналы недоступны для других передач.

Выделенные ресурсы сети находятся в монопольном владении взаимосвязанных абонентов независимо от использования и освобождаются решением абонента. Таким образом, абоненты могут вести передачу в любое время независимо от нагрузки, поступающей от других абонентов, но при этом плохо используются ресурсы сети.

1.6.3 Передача в сети с коммутацией каналов

•абонент А посылает по абонентской линии в узел коммутации каналов заявку на соединение с абонентом В;

•аппаратура узла коммутации каналов соединяет абонентские линии А и В, если абоненты принадлежат одному узлу коммутации каналов, или образует сквозной канал через несколько промежуточных узлов коммутации каналов;

105

•абонент В получает сигнал вызова, абонент А — сигнал установления

соединения;

•абоненты обмениваются информацией и подают сигнал отбоя;

•аппаратура узла коммутации каналов разрушает соединение.

1.6.4 Передача в сети с коммутацией сообщений

•абонент А передает в узел коммутации сообщение вместе с адресом

абонента В;

•сообщение запоминается в узле коммутации сообщений, где по адресу определяется канал передачи;

•если канал к соседнему узлу коммутации сообщений свободен, то на него немедленно передается сообщение и процесс повторяется;

•если канал занят, то сообщение хранится в ЗУ до его освобождения;

•сообщения в ЗУ выстраиваются в очередь по направлениям передачи и категориям срочности.

Метод коммутации пакетов отличается от метода коммутации сообщений тем, что длинные сообщения разбиваются на части — пакеты.

1.6.5 Режим виртуальных соединений при передаче пакетов

Виртуальное соединение — это коммутация каналов не физическая, а через память компьютеров в центрах коммутации.

•абоненту-получателю направляется служебный пакет, который прокладывает виртуальное соединение;

•в каждом узле остается распоряжение, что пакеты k-го виртуального соединения, пришедшие из i-го канала, следует направить в j-й канал;

•проложив путь к абоненту-получателю служебный пакет сообщает ему требуемый для приема объем памяти и запрашивает разрешение на передачу;

•если компьютер абонента свободен и памяти достаточно, то абонентуотправителю посылается служебный пакет с согласием на передачу;

•получив подтверждение абонент-отправитель передает пакет сообщений;

•виртуальное соединение существует пока служебный пакет, отправленный одним из абонентов, не сотрет инструкции в узлах.

1.6.6 Датаграммный режим передачи пакетов (используется для коротких сообщений).

Датаграмма — самостоятельный пакет, движущийся по сети независимо от других пакетов.

•узел коммутации направляет датаграмму в сторону ближайшего узла;

•при получении подтверждения получения пакета узел коммутации стирает его в своей памяти;

•если подтверждения нет, то пакет отправляется в другой смежный узел первого ранга, затем второго ранга и т.д. пока пакет не будет принят (все узлы ранжируются по близости к адресату). Это алгоритм маршрутизации; различают детерминированные и вероятностные алгоритмы со случайным выбором траектории.

Режим используется в Internet в протоколах UDP (User Datagram Protocol) и TFTP (Trivial File Transfer Protocol).

Трафик — нагрузка, создаваемая потоком вызовов, требований, сообщений,

поступающих на входы системы массового обслуживания.

Трафик, создаваемый одним источником равен произведению числа попыток вызовов за некоторый интервал времени на среднюю длительность попытки; измеряется в часо-занятиях.

106

2 КОДИРОВАНИЕ И КОНТРОЛЬ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

2.1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

В реальных условиях непрерывный сигнал может быть заменен дискретным. Формой представления информации является сообщение.

Кодирование — процесс преобразования сообщений в комбинации из дискретных

сигналов.

Код — совокупность правил, в соответствии с которыми производится

кодирование.

Каждому сообщению однозначно соответствует определенная кодовая комбинация.

Набор элементов данного кода рассматривают как алфавит, а кодовые комбинации из

этих элементов — как кодовые слова.

Выбор методов кодирования зависит от количества передаваемых сообщений, требуемого времени передачи, параметров канала связи, возможности аппаратуры. В общем случае качество метода кодирования оценивается объемом сигнала для достижения требуемой помехоустойчивости при равной скорости передачи.

Структурные характеристики кодов

1.Число импульсных признаков 1.1.Единичные 1.2.Двоичные 1.3.Многопозиционные

2.Количество разрядов кодовой информации 2.1.Постоянное количество (равномерное) 2.2.Непостоянное количество (неравномерное)

3.Способ комбинирования

3.1.Полное использование комбинаций 3.2.Частичное использование комбинаций

Характеристики сигналов кода

1.Импульсные признаки 1.1.Амплитудные 1.2.Частотные 1.3.Полярные 1.4.Фазовые 1.5.Временные 1.6.Комбинированные

2.Способ передачи 2.1.Последовательный 2.2.Параллельный 2.3.Смешанный.

Kоды могут иметь разное назначение и в соответствии с этим подразделяться на телеграфные, телемеханические, телевизионные, коммерческие, дипломатические, военные, коды цифровых машин.

107

2.2 КЛАССИФИКАЦИЯ ДВОИЧНЫХ КОДОВ

Все избыточные коды делятся на два класса: непрерывные и блочные. В блочных кодах каждому сообщению соответствует кодовая комбинация (блок) из n символов. Блоки кодируются и декодируются отдельно друг от друга.

Большой класс разделимых блочных кодов составляют систематические коды. Каждый проверочный символ выбирается таким образом, чтобы его сумма по модулю два с определенными информационными символами была равной нулю.

Двоичные коды бывают:

1.Неизбыточные

1.1.Равномерные

1.1.1.Простые

1.1.2.Отраженные

•Грея

1.1.3.Двоично-десятичные

• Самодополняющие o С избытком 3 o Айкена

1.2.Неравномерные

1.2.1.Шеннона-Фэно

1.2.2.Хафмена

2.Избыточные

2.1.Равномерные

2.1.1.Блочные

• Неразделимые

oПлоткина

oС постоянным весом

•Разделимые

oНесистематические

Бергера

oСистематические

С одной проверкой на четность

С простым повторением

Корреляционный

Инвесторный

Хэмминга

Голея

Макдональда

Варшамова

С малой плотностью проверок на четность

Итеративный

Коды циклические

Хэмминга

Боуза-Чоудхури

Мажориторный

Милса-Абрамсона

Рида-Соломона

108

2.3 ХАРАКТЕРИСТИКИ КОДОВ

Длина кода n — число разрядов (символов), составляющих кодовую комбинацию. Основание кода m — количество отличающихся друг от друга значений импульсных признаков, используемых в кодовых комбинациях. Для случая двоичных

кодов m=2. Значения импульсных признаков цифры 0 и 1.

Мощность кода Np — число кодовых комбинаций, используемых для передачи сообщений.

Полное число кодовых комбинаций N — число всех возможных комбинаций длины n из m различных символов, равное mn (для двочных кодов N = 2n).

Число информационных символов k — количество символов (разрядов) кодовой комбинации, предназначенных для передачи собственно сообщения.

Число проверочных символов r — количество символов (разрядов) кодовой комбинации, необходимых для коррекции ошибок.

Под избыточностью кода R понимают относительную избыточность, равную отношению числа проверочных символов к длине кода:R = r/n

Скорость передачи кодовых комбинаций — отношение числа информационных символов к длине кода: R’ = k/n.

Вес кодовой комбинации (кода) w — количество единиц в кодовой комбинации.

Кодовое расстояние d между двумя кодовыми комбинациями — число одноименных разрядов с различными символами. Практически кодовое расстояние выражается как вес суммы кодовых комбинаций.

Пример 1. Определить кодовое расстояние между комбинациями 100101 и 001001. Просуммируем их по модулю два:

100101

+

001001

101100 Полученная в результате суммирования новая кодовая комбинация

характеризуется весом w = 3. Следовательно, кодовое расстояние между исходными комбинациями d = 3.

Весовая характеристика кода W(w) — число кодовых комбинаций веса w.

Пример 2. Даны кодовые комбинации 00000, 11110, 11101 и 11010, весовая характеристика W(0) = 1, W(3) = 1, W(4) = 2, т. е. данный код состоит из одного кодового слова веса 0, двух слов веса 4 и одного слова веса 3.

Вероятность необнаруженной ошибки Pн. о. — это вероятность события, при свойства данного кода не позволяют определить факт наличия ошибки в принятой комбинации.

Оптимальность кода — свойство кода, которое обеспечивает наименьшую вероятность не обнаружения ошибки среди всех кодов той же длины и избыточности r.

2.4 МЕТОДЫ КОДИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Различают методы кодирования и методы записи информации. Методы кодирования взаимно несовместимы, но подразумевают единый метод записи — без возврата к нулю с инверсией. Методы кодирования не влияют на изменения направления тока в магнитной головке при записи, а лишь задают их очередность.

109