Избыточность как средство повышения достоверности

Как же нейтрализовать действие помех? Очевидно, одним из методов нейтрализации может быть удаление источников помех от рассматриваемой системы. Например, если на нашу систему воздействуют сигналы близлежащей маломощной радиостанции, то, если разнести систему и радиостанцию в пространстве, влияние помехи должно уменьшиться.

Другим методом нейтрализации действия помех мо­жет быть разнесение частотного диапазона работы источника помех и системы с установкой в системе частотных фильтров. Тогда воздействующая на систему помеха будет отсеиваться фильтром на входе системы и в тракт прохождения основного сигнала она не попадет. Если аппаратура системы плохо изготовлена или отлажена, то при прохождении в ней сигналов могут возникать нелинейные или частотные искажения. В результате этих искажений меняется форма сигнала. Кроме того, если, возникают, например, нелинейные искажения в групповом тракте передачи многоканальной аппаратуры c частотным разделением, то в средних каналах появляются дополнительные помехи, вызванные ими.

Поскольку, как правило, частотная характеристика или характеристика нелинейности аппаратуры известней или может быть определена, то могут быть использованы методы нейтрализации такого рода искажений, основанные на введении в аппаратуру корректирующих блоков. Корректирующие блоки имеют частотные характеристику или характеристики нелинейности, обладающие свойствами, противоположными частотным характеристикам нелинейности аппаратуры.

Описанные методы нейтрализации действия помех называются прямыми методами. Они могут быть исполь­зованы тогда, когда источник искажений, характер и воздействие его на сигнал точно определены. Однако бывают случаи, когда прямыми методами удовлетворительной нейтрализации действия помех достичь не удается, причем, встречаются они значительно чаще, чем те, при кото­рых эффективно использование прямых методов.

Рассмотрим пример воздействия космических помех или помех, вызванных тепловыми шумами или явлением дробового эффекта. Эти виды помех носят существенно случайный характер. Важно также отметить, что, такого рода помехи являются принципиально неустранимыми, т. е. их нельзя ни скомпенсировать, как это делалось при установке корректирующих блоков, ни уменьшить за счет частотной фильтрации или разнесения источника помехи и системы в пространстве. Для нейтрализации действия помех такого рода используются различные методы, на­зываемые косвенными. Идея косвенных методов состоит в том, что специальным образом формируют сигнал, отли­чающийся от сигнала, который формировался бы при от­сутствии помех. Сигнал должен быть сформирован таким образом, чтобы после воздействия на него помехи можно было извлечь из него полезную информацию, носителем которой он является.

Формирование таких сигналов, как правило, осущест­вляется путем введения избыточности. Покажем, что вве­дение избыточности для нейтрализации действия непред­сказуемых помех является необходимым. В самом деле, представим себе, что нам необходимо передать информа­цию в состояниях какого-либо объекта. Предположим, что каждое из состояний характеризуется набором из трех двоичных цифр, т. е. определенным кодом:

Состояние	Код	Состояние	Код
0.	000	4	100
1	001	5	101
2	010	6	110
3	011	7	111

Пусть в процессе передачи или преобразования ин­формации произошло искажение цифры в одном из дво­ичных разрядов (замена 1 на 0 или 0 на 1). Как нетруд­но заметить, замена любой двоичной цифры на противо­положную приводит к изменению номера состояния объёкта. Например, необходимо передать информацию о том, что объект находится в состоянии 6. Значит необходимо передать число 110. Если в процессе передачи произошло искажение в первом двоичном разряде, то будет принято число 010. Это число соответствует состоянию объекта с номером 2. Таким образом, на приеме будет зафиксировано состояние объекта с номером 2, а не с номером 6. Аналогично прослеживается изменение номера состояния объекта на приеме при искажении двоичных цифр в других разрядах.

В рассмотренном примере информацию о 8 состояниях объекта передать количеством двоичных разрядов, меньшим, чем 3, невозможно. Однако это приводит к тому, что искажение в произвольном двоичном разряде любого трехзначного двоичного числа влечет за собой прием не­правильной информации о состоянии объекта. Причем па приемной стороне получатель информации не в состоянии обнаружить факт искажения информации.

Предположим, что информация о состоянии объекта будет передаваться двойным повторением соответствую­щих троек двоичных цифр:

Состояние Код	Состояние	Код
0 000000	4	100100
1 001001	5	101101
2 010010	6	110110
3 011011	7	111111

Тогда искажения в одной тройке двоичных чисел можно выявить по парным сравнением соответствующих двоичных цифр. Например, в процессе передачи информации, о состоянии объекта с номером 6 произошло искажение 1 в первом разряде первой тропки двоичных чисел, т.е. вместо числа 110110 принято число 010110. По парное сравнение чисел в соответствующих разрядах троек двоичных чисел позволяет обнаружить искажение. В нашем примере сравнение пар двоичных цифр дает результат

0 — 1 в первом двоичном разряде

1 — 1 во втором двоичном разряде

0 —0 в третьем двоичном разряде

Несовпадение двоичных цифр в первом разряде свидетельствует о наличии искажения одной из них. Введение избыточности в виде повторения трехразрядного двоично­го числа позволило обнаружить искажение информации. Следует заметить, что такой результат справедлив, вообще говоря, в тех случаях, когда мы заранее гарантированы, что при передаче числа 110110 может произойти

искажение не более чем в одном двоичном разряде. Ко­нечно, легко увидеть, что в рассмотренном примере будет обнаружено искажение любого количества двоичных цифр только одной тройки двоичных разрядов. В то же время нельзя обнаружить появление искажений в случае, если искажена пара соответствующих двоичных цифр в каждой тройке двоичных чисел. Например, при замене 1 на 0 в первом двоичном разряде каждой из троек (110110—>010010).

Искажение двоичных цифр одной тройки двоичных разрядов можно обнаружить и исправить, если переда­вать каждую тройку двоичных разрядов три раза подряд. Исправление искажений производится поразрядным сравнением соответствующих двоичных цифр каждой тройки. Искаженными оказываются такие двоичные раз­ряды, в которых одна из трех соответствующих цифр отличается от двух других.

Исправление искажений можно проиллюстрировать на рассмотренном выше примере передачи информации 6 состоянии объекта. Если передается информация о со­стоянии объекта № 6, то ему соответствует число 110110110. Предположим, что на приеме мы получили число 010110110. В соответствии с правилом обнаруже­ния и исправления искажений при поразрядном сравне­нии двоичных цифр каждой тройки двоичных разрядов получаем для первого разряда 0—1—1, для второго 1— 1—1, для третьего 0—0—0. Значит, в первом двоичном разряде первой тройки произошло искажение. Вместо цифры 1 принята цифра 0.

В результате введения такого роде избыточности для обработки чисел, содержащих большее количество двоичных разрядов, потребуется увеличение либо количества схем, участвующих в их преобразовании иди передаче, либо времени на их передачу или преобразование.

Другим примером введения избыточности может слу­жить нейтрализация действия помех, вызывающих явления замирания (фединга). Причины замираний могут быть грубо объяснены следующим образом. Посланная передатчиком волна достигает антенны приемника, следуя одновременно по нескольким разным путям (так на­зываемое много путевое, или многолучевое распространение). Вследствие разности длин различных путей возникают соответственные разности фаз, и волны, прибывшие различными путями, интерферируют между собой. А так как эти пути представляют случайные образования, все время меняющиеся с изменением состояния атмосфе­ры, то в результате интенсивность принимаемого сигнала претерпевает изменения, вплоть до полного пропадания на некоторое время. Если представить себе простейшую модель с двумя лучами равной интенсивности, то пропадание сигнала вследствие интерференции будет происхо­дить уже при разности ходов, равной половине длины волны. На коротких волнах это составляет несколько десятков метров. Суть методов борьбы с замираниями со­стоит в том, что стремятся образовать несколько каналов по возможности с независимыми параметрами. Чаще все­го ограничиваются двумя каналами, что уже дает замет­ный эффект. Сигналы двух каналов можно складывать или автоматически подключать к приемнику тот канал, сигнал которого в настоящий момент больше.

Избыточность в данном случае выражается в образо­вании дополнительных каналов, при этом вводятся избы­точные блоки аппаратуры на уровне деталей, узлов и т. д. Выбор уровня, па котором вводится избыточность, и кон­кретных компонент, к которым добавляются избыточ­ные компоненты на выбранном уровне, обусловливаются как степенью их надежности, так и важностью выполне­ния ими своих функций.

Подключение избыточных блоков может осущест­вляться многими способами. Одним из них является спо­соб голосования. Грубо идея его может быть пояснена следующим образом. Если включены параллельно три одинаковых блока и один из них выходит из строя, то на выходе тройки блоков появляется сигнал, совпадающий с сигналами двух работающих блоков, что аналогично принятию решения по большинству голосов.

Рассмотренные примеры введения избыточности ил­люстрируют два наиболее распространенных ее вида: кодовой и аппаратурной избыточности.

Как правило, введение кодовой избыточности приводит попутно к появлению аппаратурной или к увеличению времени передачи или преобразования сигнала. Действи­тельно, если при кодовой избыточности осуществлять последовательную передачу или преобразование двоичных цифр, то время передачи или преобразования в приведен­ном выше примере с повторением увеличится вдвое.

Если же производить параллельно передачу или преобра­зование избыточных кодов, то необходимо увеличить количество элементов, участвующих в их передаче или преобразовании. Введение аппаратурной избыточности не влечет за собой появления кодовой избыточности. Таким образом, путем введения избыточности можно добиться нейтрализации действия помех и тем самым повысить достоверность информации, циркулирующей в системах управления и связи.