Заказать обратный звонок
Просто оставьте контактные данные, наш эксперт свяжется в ближайшее время
Помехоустойчивое кодирование в системах связи: назначение и виды кодов
Передача информации, осуществляемая по каналам связи, часто сопровождается шумами, которые приводят к возникновению ошибок в принятых данных. Эффективным способом решения проблемы выступает применение различных способов помехоустойчивого кодирования.

Помехоустойчи­вое кодирование в системах связи: назначение и виды кодов

Передача информации, осуществляемая по каналам связи, часто сопровождается шумами, которые приводят к возникновению ошибок в принятых данных. Эффективным способом решения проблемы выступает применение различных способов помехоустойчивого кодирования.

Понятие кодирования в системах связи

Кодирование представляет собой преобразование данных из одной формы в другую с целью получения необходимого результата. При этом элементы транслируемого сообщения преобразуются в соответствующие кодовые символы.

Кодовые комбинации

Объединение элементарных сигналов, которое соответствует одному дискретному элементу сообщения, составляет кодовую комбинацию.

Коды в системах связи

Кодом называется объединение комбинаций, которые совпадают с совокупностью дискретных элементов сообщения.

Значимость кода

Отражает число составляющих кодовую комбинацию и характеризующих ее длительность элементарных сигналов.

Виды кодирования в системах связи

Существует несколько видов кодирования, применяемых для систем связи:

Натуральное

Используется для преобразования сообщения непрерывного типа до дискретного и в обратном направлении.

Помехоустойчивое кодирование

Данный тип кодирования предполагает внесение в цифровой поток определенной избыточности с целью повышения верности трансляции данных при помощи различных типов кодов. Это крайний метод защиты от помех, на который накладываются высокие требования, касающиеся надежности.

Эффективное

Представлено мероприятиями, направленными на устранение избыточности. Главная задача эффективного кодирования — обеспечение минимального количества двоичных элементов, необходимых для передачи сообщения источника.

Криптоустойчивое

Основано на алгоритмах имитостойкости, обеспечивающей способность криптографического алгоритма противостоять возможным направленным на него атакам, что защищает данные.

Характеристики способов коррекции ошибок

Способы коррекции ошибок обладают двумя основными параметрами:

● Средняя вероятность ошибки:
Для получения общего времени трансляции данных, а также требуемой общей достоверности информации средняя вероятность ошибки должна быть меньше 10. Данные о ней определяются как по формулам (точным или приближенным), так и с помощью статистического моделирования СС.

● Энергетический выигрыш кодирования:
Отражает величину уменьшения энергии, требуемой для передачи одного бита данных при определенной выбранной средней вероятности ошибки с использованием каких-либо алгоритмов кодирования/декодирования по сравнению с ситуацией, когда кодирование не производится.

Из чего состоит система помехоустой­чивости

Система помехоустойчивости включает:

● Энтропийное перемешивание (адаптацию);

● Кодирование внешнего типа, осуществляемое с использованием кода Рида-Соломона;

● Интерливинг (внешнее перемешивание);

● Внутреннее кодирование конволюционным (сверточным) кодом;

● Внутреннее перемешивание.

Стадии помехоустойчивого кодирования

Подобный тип кодирования имеет 3 стадии:

Предупреждение ошибок

Для предупреждения появления ошибок используются несколько методов:

● Адаптивная коррекция:
По частотному каналу вместе с полезным сигналом передается тестовая последовательность, заранее известная отправителю и получателю, с помощью которой специализированный эквалайзер изменяет полезный сигнал, а также настраивается на последующую новую шумовую обстановку.

● Интерливинг:
Использует переставление битов местами перед передачей их в эфир. После приема сигнала осуществляется обратная перестановка этой последовательности для получения исходного сигнала, а затем — восстановление первоначального потока. Это приводит к тому, что биты оказываются не рядом стоящими и могут быть защищены стандартными алгоритмами коррекции ошибок.

● Разнесенный прием:
Использование на приемной стороне нескольких копий сигнала с помощью повторной передачи (временное разнесение) или трансляции сигнала на различных частотах (частотное разнесение). Менее затратными методами выступают пространственное (установка двух приемных антенн вместо одной) и поляризационное разнесение (собирает энергию сигнала из разных плоскостей).

Обнаружение ошибок

Ошибки часто обнаруживаются при помощи CRC (Cyclic Redundancy Check), реализуемого по вычислению проверочной суммы информационного блока и трансляции ее совместно с полезной информацией. Чем больше важность данных, тем больше бит требуется для передачи.

Исправление ошибок

Происходит посредством блочных, сверточных кодов, задача которых — добавить к транслируемой информации дополнительные биты, которые при возникновении ошибки помогают восстановить исходный сигнал или его часть.

Механизм кодирования

Требует выполнения нескольких обязательных действий:

● Синхронизации тактовой частоты приемного и передающего устройств;

● Преобразования битовой последовательности в электрический сигнал;

● Уменьшения спектральной частоты электрического сигнала с использованием фильтров;

● Трансляции урезанного спектра по каналу связи;

● Усиления сигнала и последующее восстановление его исходной формы приемным устройством;

● Превращения аналогового сигнала в цифровой.

Равномерные коды

Комбинация кодов включает одинаковое число элементарных сигналов.

Неравномерные коды

Кодовая комбинация состоит из разного числа элементарных сигналов.

Каскадные коды

Представляют собой совместное применение нескольких составляющих кодов. Данный подход повышает эффективность кодирования по сравнению с некаскадными способами.

Коды Рида — Соломона

Циклические недвоичные коды, которые помогают исправлять ошибки в блоках данных. Работают с группами битов (блоками), имеющими фиксированную длину (линейные коды), где каждый элемент кодового слова подбирается из q-символьного алфавита. Отличаются максимально возможными минимальными расстояниями, существующими между кодами, что обеспечивает их высокую корректирующую способность. Используются для трансляции цифрового телевидения.
Заказать спутниковое оборудование

Сверточные коды

Коды непрерывного характера, где транслируемую последовательность нельзя разбить на независимые блоки. Принцип действия заключается в поступлении ко входу кодера от источника непрерывной последовательности информационных символов со снятием подобной последовательности с выхода кодера. Подобные коды отличаются от блочных способностью непрерывно обнаруживать и исправлять ошибки.

Преобразование Фурье

Способ обработки информации, применяемый для анализа временных изменений сигнала и выражения их в виде спектра.

Внешний код в стандарте Т2‑БЧХ

Циклический код линейного вида, исправляющий кратные ошибки, что обеспечивает свободу выбора размеров алфавита, степени кодирования, длины блока, расширяет возможности коррекции ошибок.

Код трехуровневой передачи

Код, позволяющий вернуться к нулевому уровню после трансляции каждого бита данных. Положительный импульс соответствует логическому нулю, логической единице — отрицательный. С началом бита происходит информационный переход, на середине бита — возврат к нулю. Чаще всего подобный тип кода используется для оптоволоконных сетей.

Кодирование данных 4B5B

Преобразует одну последовательность битов в другую, используя пятибитовую основу для трансляции четырехбитовых информационных сигналов, после их преобразования в кодеры передающего устройства.

Код PAM 5

Использует двухбитовое кодирование и 5 уровней амплитуды. Одновременная передача двух битов обеспечивает уменьшение частоты изменения сигнала вдвое. Свой уровень напряжения при этом задается для каждой комбинации. Пятый уровень дает избыточность кода, применяемого для устранения ошибок, что создает добавочный резерв соотношения сигнал/шум, равный 6 дБ. Данный код используется для Ethernet-протоколов.

Потенциальный код без возвращения к нулю

Представлен простейшим двухуровневым кодом, где нижний уровень соответствует нулю, единице — верхний, а переходы информации осуществляются на границе битов. Передача последних осуществляется длинными сериями, а уровень сигнала для каждой из них остается неизменным. Отличается простотой (отсутствие необходимости кодирования/декодирования сигнала), превышающей частоту скоростью трансляции данных.

Потенциальный код с возвращением к нулю

Разновидность кода, повторяющая вышеописанный тип. Отличие заключается в возвращении к нулю, которое происходит на середине каждого интервала тракта. Обладает большим числом переходов уровня сигнала, чем вышеописанный код.

Биполярное кодирование с альтернативной инверсией

Кодирование для нуля происходит посредством нулевого потенциала, единица кодируется отрицательным или положительным (ненулевым). При этом каждая последующая единица отличается потенциалом, противоположным по знаку относительно предыдущей. Данный код не имеет постоянной составляющей.

Манчестерский код

Информация здесь передается при перепадах потенциала, возникающих на середине такта. За кодированием единицы следует переход по направлению от низкого уровня к высокому, при кодировании нуля происходит обратный процесс. Изменение уровня сигнала происходит во время представления каждого бита, во время трансляции серий одноименных битов осуществляется двойное изменение.

Эффективность кодирования

Эффективность с кодированием выше, чем без него. Без помехоустойчивого кодирования любой вид модуляции достигает высокой вероятности ошибок. Применение специальных кодов дает возможность оперативно обнаруживать и исправлять их.

Методы синхронизация потока

Обеспечение побайтовой синхронизации (определение начала и окончания битового потока с разделением его на байты) требует использования следующих методов:

● Битстаффинг — представлен вставкой дополнительных бит, препятствующих возникновению внутри информационного поля закрывающего флага, обозначающего конец кадра после преамбулы;

● Передача в имеющем фиксированную длину заголовке кадра сведений о длине поля данных;

● Применение ограничителей кадра, запрещенных кодов, относящихся к физическому уровню;

● Контроль по паритету — при нечетном количестве единиц к информационному блоку добавляется один бит, при четном — ноль;

● Циклический избыточный контроль — использование остатка от деления двоичного числа в качестве контрольной информации.

Способы повышения помехоустой­чивости кодов

Существует несколько методов, повышающих помехоустойчивость кодов:

1. Увеличение соотношения сигнал/помеха:
Достигается за счет увеличения мощности передающего устройства. Однако данный метод требует применения сложного и дорогостоящего оборудования, поэтому экономически невыгоден.

2. Правильный выбор типа модуляции:
Применение типов модуляции, расширяющих частотную полосу сигнала, позволяет повысить помехоустойчивость.

3. Использование помехоустойчивых кодов:
Повышение помехоустойчивости при выборе данного метода осуществляется двумя путями:

● Выбором способов передачи, обеспечивающих минимальную вероятность искажения кода;

● Усиление корректирующих свойств кодовых комбинаций.

Этот путь подразумевает применение кодов, обнаруживающих и устраняющих искажения внутри кодовых комбинаций путем введения избыточных символов.

4. Повторная трансляция одного и того же сообщения:
Приемная сторона производит сравнение полученных сообщений, выделяя истинные, за которые принимаются те, которые имеют наибольшее число совпадений. Для исключения неопределенности, возникающей во время обработки принятых данных, а также обеспечения отбора, проводимого по критерию большинства, сообщение должно повторяться не менее трех раз.
Запросить обратный звонок
Просто оставьте контактные данные, и мы свяжемся в ближайшее время