Нередко встречаются случаи, когда информация может передаваться не только от одного корреспондента к другому, но и в обратном направлении. В таких условиях появляется возможность использовать обратный поток информации для существенного повышения верности сообщений, переданных в прямом направлении. При этом не исключено, что по обоим каналам (прямому и обратному) в основном непосредственно передаются сообщения в двух направлениях («дуплексная связь») и только часть пропускной способности каждого из каналов используется для передачи дополнительных данных, предназначенных для повышения верности.
Возможны различные способы использования систем с обратной связью в дискретном канале. Обычно они подразделяются на два типа: системы с информационной обратной связью и системы с управляющей обратной связью. Системами с информационной обратной связью называются такие, в которых с приемного устройства на передающее поступает информация о том, в каком виде принято сообщение. На основании этой информации передающее устройство может вносить те или иные изменения в процесс передачи сообщения: например, повторить ошибочно принятые отрезки сообщения, изменить применяемый код (передав предварительно соответствующий условный сигнал и убедившись в том, что он принят) либо вообще прекратить передачу при плохом состоянии канала до его улучшения.
В системах с управляющей обратной связью приемное устройство на основании анализа принятого сигнала само принимает решение о необходимости повторения, изменения способа передачи, временного перерыва связи и т. д. и передает об этом приказание передающему устройству. Возможны и смешанные методы использования обратной связи, когда в некоторых случаях решение
принимается на приемном устройстве, а в других случаях на передающем устройстве на основании полученной по обратному каналу информации.
Простейшим по идее методом информационной обратной связи является метод полной обратной проверки и повторения (ОПП). При этом принятый сигнал полностью ретранслируется на передающее устройство, где каждая принятая кодовая комбинация сверяется с переданной. В случае их несовпадения передающее устройство передает сигнал для стирания неправильно принятой комбинации, а затем повторяет нужную комбинацию. В качестве сигнала для стирания применяется специальная кодовая комбинация, не используемая при передаче сообщения.
Функциональная схема такой системы показана на рис. 5.1. Передаваемое сообщение, закодированное примитивным кодом, посылается в канал и одновременно записывается в запоминающем устройстве (накопителе). Принятая кодовая комбинация сразу не декодируется, а запоминается в приемном накопителе и возвращается по обратному каналу на передающий конец, где она сравнивается с переданной комбинацией. Если они совпадают, то передается следующая кодовая комбинация, в противном случае - сигнал стирания.
При этом методе окончательный ошибочный прием кодовой комбинации возможен лишь тогда, когда ошнбкн в принятой комбинации компенсируются ошибками, возникающими в канале обратной связи. Другими словами, для того чтобы некоторый символ в переданной кодовой комбинации был окончательно принят ошибочно, необходимо и достаточно, чтобы, во-первых, произошла ошибка в прямом канале и, во-вторых, при ретрансляции произошла такая ошибка, которая изменит неправильный ретранслируемый символ на действительно переданным. Это позволяет сразу вычислить вероятность необнаруженной ошибки для такого канала:
где вероятность ошнбкн в прямом канале; вероятность противоположной ошйбки в канале обратной связи.
Следовательно, если велики, то система с полной ретрансляцией дает неудовлетворительные результаты. Практически данный метод имеет смысл в тех случаях, когда канал обратной связи обеспечивает весьма высокую верность (папрнмер, при передаче сообщений на спутник с Земли), а прямой канал имеет низкую верность (папрнмер, при передаче сообщений спутника на Землю ввиду того, что мощность передатчика на спутнике мала). Существенным недостатком системы с полной ретрансляцией является большая загрузка канала обратной связи. Существуют и более сложные системы с информационной обратной связью, в которых используются помехоустойчивые коды.
Наибольшее распространение получили системы с управляющей обратной связью при использовании избыточных кодов для обнаружения ошибок (рис. 5.2). Такие системы часто называют системами с переспросом, или с автоматическим запросом ошибок, или с решающей обратной связью
В большинстве случаев это системы дуплексные, т. е. информация в них передается в обоих направлениях. В кодере передаваемое сообщение кодируется кодом, позволяющим с большой вероятностью обнаруживать возникающие в канале ошибки.
(кликните для просмотра скана)
Принятый кодовый блок декодируется с обнаружением ошибок. Если ошибки не обнаружены, то декодированный отрезок сообщения поступает к получателю. При обнаружении ошибок блок бракуется и по обратному каналу передается специальный «сигнал переспроса». В большинстве систем этот сигнал представляет собой специальную кодовую комбинацию, на время передачи которой прерывается поток информации, идущей по обратному каналу. Прием сигнала переспроса вызывает повторение забракованного блока, который с этой целью хранится в накопителе-повторителе до тех пор, пока по обратному каналу не будет принята очередная кодовая комбинация, не содержащая переспроса. Рассмотрим несколько подробнее параметры таких систем.
Основными параметрами, характеризующими систему, являются эквивалентная вероятность ошибки и скорость передачи ниформацнн. Для их определения необходимо знать вероятности приема кодовой комбниацнн без ошибок с обнаруженной ошибкой и с необнаруженной ошибкой Эти вероятности можно вычислить, зная структуру кода и свойства канала. В частности, в симметричном канале без памяти можно оценить по формуле определить по очевидной формуле
Найти, исходя из того, что
Рассмотрим передачу одной кодовой комбинации. Она может быть принята правильно с вероятностью и тогда безошибочная информация поступает получателю; или принята с необнаруженной ошибкой (с вероятностью и тогда получателю будет выдана ошибочная информация. Наконец, она может быть принята (с вероятностью с обнаруженной ошибкой и забракована. В этом случае, после запроса, все повторяется сначала и опять имеется возможность прнпять кодовую комбинацию с необнаруженной ошибкой.
Окончательно остаточная вероятность того, что кодовая комбинация будет передана получателю с необнаруженной ошибкой складывается из вероятности необнаруженной ошибки при первой передаче, при второй передаче Следовательно,
Здесь первый член - вероятность необнаруженной ошибки при первой передаче, второй член - вероятность того, что при первой передаче возникла обнаруженная ошибка, а при повторении - необнаруженная ошибка и т. д.
Воспользовавшись формулой для геометрической прогрессии, найдем
Остаточная вероятность правильного приема Отсюда можно вычислить эквивалентную вероятность ошибки. Согласно (5.27)
Последнее приближенное равенство справедливо, еслн что на практике всегда выполняется в работоспособных системах.
Система с управляющей обратной связью оказывается весьма эффективной в каналах с переменной вероятностью ошибки (например, в коротковолновых каналах с замираниями). Когда величина становится близкой к 1/2, т. е. пропускная способность канала падает почти до нуля, система находится в режиме постоянного переспроса, однако при хорошем коде ложная информация на выход практически не поступает. При уменьшении вероятности ошибки скорость передачи увеличивается, а верность продолжает оставаться на заданном уровне. Таким образом, система УОС как бы адаптируется (приспосабливается) к состоянию капала, используя канал настолько, насколько это оказывается возможным в каждом из его состояний.
В заключение отметим следующий факт, доказываемый в теории информации: в каналах без памяти наличие любой обратной связи не увеличивает пропускной способности прямого канала. Следовательно, если допустимо использование длинных кодов, то обратная связь не даст преимуществ. Однако, как уже указывалось, длинные коды требуют весьма сложных устройств декодирования, которые часто оказываются практически нереализуемыми. Именно в этом случае может помочь обратная связь, позволяющая реализовать ту же пропускную способность более простыми средствами.
Система с обратной проверкой и повторением
Самой простой из систем с информационной обратной связью в дискретном канале является система с обратной проверкой и повторением . Сообщение, передаваемое по прямому каналу, кодируется с минимальной избыточностью, необходимой для того, чтобы выделить одну служебную комбинацию «отрицания». В накопителе-повторителе передающего устройства хранятся последние переданных кодовых комбинаций, где определяется выражением (11.10). Принятые кодовые символы записываются в блок буферной памяти приемного устройства и посылаются по обратному каналу. Пришедшие по обратному каналу кодовые символы сравниваются с хранящимися в повторителе, и если они не совпадают, то по прямому каналу посылается сигнал отрицания, а затем повторяются все комбинации из повторителя. По принятому сигналу отрицания стираются комбинаций в буферной памяти приемника. Каждая принятая комбинация выдается получателю лишь после того, как после нее принято комбинаций, не содержащих сигнала стирания.
Возможность того, что в сообщении, выданном получателю, будет ошибочный символ, возникает только в том случае, когда этот символ принят ошибочно в прямом канале, а повторенный ошибочный символ в обратном канале трансформировался обратно в правильный. Такую пару ошибок называют зеркальной. При двоичной системе вероятность этого равна
где и - вероятности ошибок соответственно в прямом и обратном каналах.
Заметим, что ошибочный прием сигнала отрицания не увеличивает вероятности необнаруженной ошибки. После его проверки по обратному каналу будет передано два сигнала отрицания и будут стерты комбинаций в буферной памяти приемника. Необходимо лишь обеспечить достаточный запас ее емкости. Если же информационная комбинация принята как сигнал отрицания, то попросту повторяются стертые символы.
Из (11.26) видно, что такую систему целесообразно применять тогда, когда вероятность ошибки в обратном канале значительно меньше, чем в прямом, например, при передаче сообщений с космического корабля, когда для обратного канала можно использовать наземный передатчик значительно более мощный, чем бортовой.
Рассуждая так же, как и в предыдущем параграфе, можно показать, что эквивалентная вероятность ошибки равна
где - вероятность того, что в прямом или в обратном канале произошла ошибка, которая обнаружена:
где - число символов в комбинации.
Относительную скорость передачи можно приближенно определить, учитывая, что кодовая комбинация выдается получателю, если она не является сигналом отрицания и если она и последующие комбинаций приняты верно в прямом и обратном каналах или ошибки не были обнаружены, вероятность того, что передаваемая комбинация не является сигналом отрицания, равна вероятности того, что одна комбинация прошла без обнаруженных ошибок в прямом и обратном каналах. Таким образом (если пренебречь вероятностью необнаруженной зеркальной ошибки):
Отсюда видно, что если в прямом канале вероятность ошибки велика, то хороший обратный канал позволяет получить довольно высокую верность, но скорость передачи окажется ничтожно малой.
Систему с обратной проверкой и повторением можно использовать и в дуплексном режиме, чередуя на основе временного уплотнения комбинации прямого и обратного каналов. Эквивалентная вероятность ошибки при этом не изменится. В формуле (11.29) для относительной скорости передачи в одном направлении появится множитель , но в то же время величина уменьшится вдвое.
Системе с передачей проверочных символов по обратному каналу
В этой системе сообщение кодируется избыточным кодом, но по прямому каналу передаются только информационные символы, а проверочные запоминаются в специальном блоке памяти. Принятые информационные символы подвергаются также кодированию, и по обратному каналу посылаются только проверочные символы. На передающей стороне принятые по обратному каналу проверочные символы сравниваются с хранящимися в блоке памяти. Если они не совпадают, то по прямому каналу посылается сигнал отрицания и повторяются последние комбинаций.
Для упрощения анализа предположим, что вероятности ошибок в обоих каналах одинаковы . Ошибка в приеме кодовой комбинации окажется необнаруженной, если в обратном канале возникнут такие ошибки, в результате которых принятые проверочные символы подойдут к переданным информационным. Легко видеть, что это означает трансформацию одной разрешенной комбинации в другую. Поэтому вероятность необнаруженной ошибки определяется той же формулой (11.6), что и для системы с переспросом, и может в соответствующих случаях оцениваться формулами (11.7) и (11.8). Точно так же вероятность обнаруженной ошибки определяется приближенной формулой (11.9), если под понимать сумму числа информационных и проверочных символов. Из анализа алгоритма работы системы следует, что формула (11.5) для остаточной вероятности ошибочного приема кодовой комбинации, а также приближенная формула (11.4) для эквивалентной вероятности ошибок здесь тоже остаются в силе.
Найдем относительную скорость передачи, полагая, что информация передается в одну сторону, а по обратному каналу посылаются только проверочные символы. Кодовая комбинация поступает к получателю, если она не является сигналом отрицания и если она и последующие М комбинации приняты верно в прямом канале, а их проверочные символы - в обратном канале. При этом рассуждении мы по-прежнему пренебрегаем вероятностью необнаруженных ошибок, которая во много раз меньше вероятности правильного приема. Таким образом,
Отличие этой формулы от (11.11) обусловлено тем, что по прямому каналу не передаются проверочные символы. Таким образом, рассматриваемая система при той же верности превосходит по скорости в раз систему с переспросом за счет большей загрузки обратного канала.
Полученные формулы остаются справедливыми и при дуплексном построении системы. При этом по каждому из каналов передаются блоки из символов, так же, как и в дуплексной системе с переспросом в дискретном канале, с той лишь разницей, что проверочные символы в этих блоках образуют кодовую комбинацию не с входящими в этот блок информационными символами, а с теми, которые содержатся в блоке, принятом по другому каналу. Таким образом, до тех пор, пока не произошло обнаружение ошибок, загрузка каналов в обеих системах одинакова, если используется один и тот же код.
Различие между дуплексными системами с переспросом и с передачей проверочных символов по обратному каналу становится заметным, если учесть случаи обнаружения ошибок. Оно заключается в том, что система с передачей проверочных символов не нуждается в перекрестной блокировке, которая необходима для системы с переспросом. Поэтому в формулы (11.30) для относительной скорости передачи необходимо внести лишь коэффициент , учитывающий использование канала как обратного. Сравнивая этот результат с (11.12) и (11.13), видим, что при прочих равных условиях дуплексная система с передачей проверочных символов несколько более эффективна, чем система с переспросом. В техническом отношении они примерно равноценны, хотя система с передачей проверочных символов нуждается в большем объеме устройств памяти и алгоритм ее работы несколько сложнее.
Все соображения о выборе кода и о передаче информации в «плохих» каналах с памятью, приведенные в конце § 11.3, с небольшими уточнениями справедливы и для рассматриваемой системы. В системах с информационной обратной связью можно применять также адресное повторение, как и в системах с переспросом.
Заметим, что систему с обратной проверкой и повторением можно рассматривать как частный случай системы с передачей проверочных символов, возникающий при использовании кода , в котором проверочные символы образуются повторением информационных. Такой код далек от оптимального, в нем , и поэтому вероятность необнаруженной ошибки значительна, несмотря на большую избыточность. Этим и обусловлены недостатки системы с обратной проверкой.
Информационная обратная связь в непрерывном канале
Возможности информационной обратной связи в непрерывном канале мало изучены и рассматривались главным образом в теоретическом плане (например, ). Некоторые принципиально возможные методы рассмотрены в работе . Общая их идея заключается в том, что принятый сигнал посылается по обратному каналу и из него извлекается информация о состоянии прямого канала, используемая при передаче последующих сигналов.
К системам с информационной обратной связью в непрерывном канале можно отнести дуплексные системы радиосвязи с отражением от метеорных следов . В них информация передается только в течение небольших отрезков времени, пока существует повышенная ионизация нижних слоев ионосферы, вызванная пролетевшим метеором, а в остальное время в оба канала посылаются зондирующие импульсы. Сведения о возможности передавать информацию извлекаются из импульсов, приходящих по обратному каналу.
Основанная на подобных принципах прерывная связь возможна и в коротковолновых радиоканалах при любых других каналах с медленными замираниями. При этом, используя информацию, полученную по обратному каналу, сообщения передают лишь тогда, когда коэффициент передачи канала превышает некоторое пороговое значение . При связь прерывается и передаются лишь зондирующие импульсы, необходимые для оценки . Это позволяет при заданной верности увеличить техническую скорость передачи, поскольку она производится только в хорошем состоянии канала. Средняя скорость передачи информации при оптимальном выборе порога оказывается существенно большей, чем в случае обычной непрерывной связи при той же верности .
Системами передачи дискретной информации с обратной связью (ОС) называют системы, в которых повторение ранее переданной происходит лишь после приема сигнала ОС. Системы с обратной связью делятся на системы с решающей ОС и информационной ОС.
В приемнике системы правильно принятые комбинации накапливаются в накопителе и, если после приема блока хотя бы одна из комбинаций не будет принята, то формируется сигнал переспроса, единый на весь блок. Повторяется снова весь блок, а в приемнике системы из блока отбираются комбинации, не принятые при первой передаче. Переспросы производятся до тех пор, пока не будет приняты все комбинации блока. После приема всех комбинаций посылается сигнал подтверждения. Получив его, передатчик передает следующий блок комбинаций (системы с адресным переспросом - РОС-АП). Эти системы во многом аналогичны системам с накоплением, но в отличие от последних приемник их формирует и передает сложный сигнал переспроса, в котором указываются условные номера (адреса) не принятых приемником комбинаций блока. В соответствии с этим сигналом, передатчик повторяет не весь блок, как в системе с накоплением, а лишь не принятые комбинации (системы с последовательной передачей кодовых комбинаций - РОС-ПП).
Известны различные варианты построения систем РОС-ПП, основными из которых являются:
Системы с изменением порядка следования комбинаций (РОС-ПП). В этих системах приемник стирает лишь комбинации, по которым решающим устройством принято решение на стирание, и только по этим комбинациям посылает на передатчик сигналы переспроса. Остальные комбинации выдаются в ПИ по мере их поступления.
Системы с восстановлением порядка следования комбинаций (РОС-ПП). От систем РОС-ПП данные системы отличаются лишь тем, что приемник их содержит устройство, восстанавливающее порядок следования комбинаций.
Системы с переменным уплотнением (РОС-ПП). Здесь передатчик поочередно передает комбинации из последовательностей, причем число последних выбирается так, чтобы ко времени передачи комбинаций на передатчике уже был принят сигнал ОС по ранее переданной комбинации этой последовательности.
Системы с блокировкой приемника на время приема комбинаций после обнаружения ошибки и повторением или переносом блока из комбинаций (РОС-ПП).
Системы с контролем заблокированных комбинаций (РОС-ПП). В этих системах после обнаружения ошибки в кодовой комбинации и передачи сигнала переспроса производится контроль на наличие обнаруженных ошибок h -1 комбинаций, следующих за комбинацией с обнаруженной ошибкой.
Различие в логике работы систем с РОС и ИОС проявляется в скорости передачи. В большинстве случаев передача служебных знаков требуют меньших затрат энергии и времени, чем передача по прямому каналу опознавателей в системе с РОС. Поэтому скорость передачи сообщений в прямом направлении в системе с ИОС больше. Если помехоустойчивость обратного канала выше помехоустойчивости прямого, то достоверность передачи сообщений в системах с ИОС также выше. В случае полной бесшумной информационной обратной связи можно обеспечить безошибочную передачу сообщений по прямому каналу независимо от уровня помех в нем. Для этого надо дополнительно организовать корректировку искажаемых в прямом канале служебных знаков. Такой результат, в принципе, недостижим в системах с РОС распределенного типа. В случае группирующихся ошибок существенную роль играют условия, в которых передаются информационная и контрольная части кодовых комбинаций в обеих системах связи. При использовании ИОС часто имеет место единственная декорреляция ошибок в прямом и обратном каналах.
Важную роль при сравнении передачи сообщений с РОС и ИОС играют также длина используемого кода n и его избыточность s/t. Если избыточность невелика (s/n<0,3), то даже при бесшумном обратном канале ИОС практически не обеспечивает по достоверности преимущества перед РОС. Однако скорость передачи у систем с ИОС по-прежнему выше. Следует указать еще одно преимущество систем с ИОС, обусловленное различием в скорости. Каждому заданному значению эквивалентной вероятности ошибки соответствует оптимальная длина кода, при отклонении от которой скорость передачи в системе с РОС уменьшается. В системах с ИОС при s/n>0,3 передачу сообщений выгоднее вести короткими кодами. При заданной наперед достоверности скорость передачи от этого становится больше. Это выгодно с практической точки зрения, т.к осуществлять кодирование и декодирование при коротких кодах легче. С увеличением избыточности кода преимущество систем с ИОС по достоверности передачи возрастает даже при одинаковых по помехоустойчивости прямом и обратном каналах, особенно если передача сообщений и квитанции в системе с ИОС организована так, что ошибки в них оказываются некорректированными. Энергетический выигрыш в прямом канале системы с ИОС оказывается на порядок выше, чем в системе с РОС. Таким образом, ИОС во всех случаях обеспечивает равную или более высокую помехозащищенность передачи сообщений по прямому каналу, особенно при больших s и бесшумном обратном канале. ИОС наиболее рационально применять в таких системах, где обратный канал по роду своей загрузки может быть без ущерба для других целей использован для эффективной передачи квитирующей информации.
Однако общая сложность реализации систем с ИОС больше, чем систем с РОС. Поэтому системы с РОС нашли более широкое применение. Системы с ИОС применяют в тех случаях, когда обратный канал может быть без ущерба для других целей эффективно использован для передачи квитанций.
Если имеется возможность применить дополнительный канал между передающим и приёмным пунктами, или такой уже существует, то можно организовать канал обратной связи.
Известно 2 варианта использования канала обратной связи.
1. Системы с информационной обратной связью. В этом случае по каналу обратной связи передается весь переданный пакет с целью его контроля на передающей стороне. Если на передающей стороне пакет совпал, то данные верны. Время увеличивается в 2 раза.
2. Системы с управляющей обратной связью или системы с переспросом. Организуется пакет, в котором используется помехоустойчивое кодирование (только обнаруживает ошибки, но не исправляет). На приёмной стороне по помехоустойчивому коду определяется ошибка. Если ошибка есть, то по каналу обратной связи передается сообщение об ошибке и просьба повторить отправку пакета, то есть по каналу обратной связи идёт только сигнал «повторить» либо «подтверждение приема». Если есть необходимость повторной отправки пакета, то отправка производится.
Степень различия любых двух кодовых комбинаций характеризуется расстоянием между ними по Хэммингу или просто кодовым расстоянием .
Расстояние Хэмминга d выражается числом позиций, в которых кодовые комбинации отличаются одна от другой. Чтобы подсчитать кодовое расстояние между двумя комбинациями двоичного кода, необходимо сложить по модулю два эти комбинации, а затем подсчитать число единиц в сумме. Поясним примерами. Найти расстояние Хэмминга d между кодовыми комбинациями 10101011 и 11111011.
Произведем сложение по модулю два:
| Å | ||
| 01010000 | . |
При сложении по модулю два переносов нет, сложение производится поразрядно по правилам: 0Å0=0; 0Å1=1; 1Å1=0. Сосчитав число единиц, в сумме получаем d=2.
Для всех возможных комбинаций многоразрядного двоичного кода вводится понятие минимального кодового расстояния . Минимальное расстояние Хэмминга, взятое по всем парам возможных кодовых комбинаций данного кода, называется минимальным кодовым расстоянием .
Минимальное кодовое расстояние d min определяет способности кода обнаруживать и исправлять ошибки, возникающие при передаче данных.
Для создания возможности обнаружения ошибок при передаче поступим следующим образом. В трехразрядном коде для передачи исходной информации будем использовать два разряда, а третий передаваемый разряд для передачи будем формировать по правилу: его значение равно нулю, если число единиц в информационных разрядах, четно, и равно единице, если число единиц в информационных разрядах нечетно.
В результате такого кодирования все множество двоичных трехразрядных кодовых комбинаций разбивается на две группы:
Разрешенные – 000, 011, 101, 110;
Запрещенные – 001, 010, 100, 111.
При передаче формируются и передаются помехоустойчивые кодовые комбинации, в которых число единиц четно. Если принята кодовая комбинация, содержащая нечетное число единиц (одна из запрещенных комбинаций), то можно утверждать, что при передаче произошла ошибка.
Для создания возможности исправления однократной ошибки поступим следующим образом.
В трехразрядном коде под информационный символ отведем один разряд, а два других отведем под избыточные контрольные символы (алгоритм формирования контрольных символов пока не важен). Из всех трехразрядных кодовых комбинаций выберем разрешенными 000 и 111. Тогда при передаче и приеме информации могут возникать следующие ситуации (при возможности возникновения только одной ошибки):
Видно, что все искаженные однократной ошибкой кодовые комбинации можно исправить. Расстояние Хэмминга между разрешенными кодовыми комбинациями для данного случая d min =3.
Хэммингом доказано, что в общем случае для обеспечения кода возможностью исправления ошибок кратности S минимальное расстояние Хэмминга d min должно находится из условия d min ³ 2S+1.
Для кода, позволяющего обнаруживать ошибки кратности r и исправлять ошибки кратности S (r³S), минимальное расстояние Хэмминга выбирается из условия d min ³ r+S+1.
Если код должен обнаруживать двукратные ошибки и исправлять однократные, то d min должно быть равно 4. Поэтому код Хемминга с d min =3 может либо исправлять однократные ошибки, либо только обнаруживать однократные и двукратные ошибки.
В информатике используются различные подходы к измерению информации. Содержательный подход к измерению информации рассматривается с точки зрения человека, получившего информацию (сообщение). Измерение количества информации не связывают с содержанием сообщения. Количество информации зависит от объема сообщения, но не его содержания. В этом случае более подходит алфавитный подход к измерению информации. Измерение количества информации – это мера уменьшения определенности. 1-бит, такое количество информации содержит сообщение, уменьшающее неопределенность знаний в два раза. Согласно измерению информации, количество информации достигает максимального значения, если события равновероятны, поэтому количество информации такое, сколько несет в себе сообщение. Наиболее просто измерить количество информации в случае , когда все исходы события могут реализоваться с равной долей вероятности.
Теперь рассмотрим алфавитный подход к измерению количества информации. При этом подходе измерения количества информации важно учитывать количество в каждом из знаков дискретного сообщения с последующим подсчетом количества этих знаков в сообщении. Для простоты предположим, что все символы (знаки) появляются в тексте с одинаковой вероятностью. Тогда измерение количества информации будет строиться из того, что все символы «равноправны», значит, и объем информации в каждом из них одинаков. Измерение информации представлено дискретным сигналом. При этом различают следующие подходы измерения информации: структурный (измеряет количество информации простым подсчетом символов); статистический (учитывает вероятность появления сообщений). Есть еще один вид информационного процесса – это семантический. Семантический подход к измерению информации учитывает целесообразность и полезность информации
Для анализа информационных возможностей канала по передаче информации принято пользоваться обобщенной информационной моделью канала.
Источник информации создаёт сигналы z , которые после кодирования и модуляции в преобразователе информации 1 превращается в сигналы х и поступают в канал.
Под кодированием (в широком смысле) подразумевается представление сообщений в форме, удобной для передачи по каналу. Операция восстановления сообщения по принятому сигналу называется декодированием. Поскольку информация передаётся в виде сигналов, то сообщению на выходе источника информации необходимо поставить в соответствие определённый сигнал. Поскольку число возможных сообщений при неограниченном времени стремится к бесконечности, а за достаточно большой промежуток времени велико, создать для каждого сообщения свой сигнал невозможно (да и не нужно).
Дискретные сообщения складываются из букв, поэтому используют конечное число образцовых сигналов, соответствующих отдельным буквам алфавита источника. При большом объёме алфавита прибегают к представлению букв в другом алфавите с меньшим числом букв, которые называют символами. Для обозначения этой операции также используется термин кодирование .
Поскольку алфавит символов меньше алфавита букв, то каждой букве соответствует кодовая комбинация. Число символов в кодовой комбинации называется её значностью . Операцию сопоставления кодовой комбинации соответствующей ей буквы называют также декодированием.
Преобразователь информации решает задачи:
1) преобразование информации в такой код, который обеспечивал бы простоту и надёжность аппаратной реализации.
2) кодирование сообщений так, чтобы уменьшить избыточность. Это достигается путём такого кодирования, при котором снижается среднее число символов, требующееся на букву сообщения. Поскольку при отсутствии помех такое кодирование даёт выигрыш во времени передачи или в объёме запоминающего устройства, то оно получило названиеэффективного. Теоретическую основу эффективного кодирования создал Клод Шеннон, который в своей теореме показал возможность создания эффективных кодов.
3) обеспечение помехоустойчивого кодирования как один из вариантов обеспечения заданной достоверности передачи и приёма.
4) модуляция кодированного сигнала. Получаемый на выходе модулятора сигнал подготовлен к передаче по конкретной линии связи.
Сигнал х передаётся по каналу.
В результате действия помех сигнал у на выходе канала будет отличаться от сигнала х. Для удобства принято считать, что помехи создаются неким воображаемым источником помех с определенными статистическими свойствами и поступают в канал в виде мешающего сигнала ξ. По уровню помех и по виду передаваемых сигналов различают:
1)дискретный канал без помех;
2) дискретный канал с помехами;
3) непрерывный канал с помехами.
Каналы позволяют вести передачу с различной максимальной скоростью(пропускной способностью) и требуют различного подхода к передаче данных.
Информация из канала поступает в преобразователь информации 2. Преобразователь информации 2:
Демодулирует поступивший сигнал;
Декодирует помехоустойчивый код;
Распаковывает сжатые данные и в виде сигналов z подаёт информацию к приёмнику.
Если сообщение передается в виде непомехозащищенного кода, то в кодирующем устройстве данный код может быть преобразован в помехозащищенный. Однако, поскольку в этом обычно нет необходимости, кодирующее устройство представляет собой регистр для превращения простого параллельного кода в последовательный. Одновременно с передачей по прямому каналу сообщение запоминается в накопителе на передатчике. На контролируемом пункте принятое сообщение декодируется и также запоминается в накопителе. Однако получателю сообщение передается не сразу: сначала оно поступает через обратный канал на пункт управления. В схеме сравнения ПУ происходит сравнение принятого сообщения с переданным. Если сообщения совпадают, то формируется сигнал «Подтверждение» и происходит передача последующих сообщений. При несовпадении сообщений, что свидетельствует об ошибке, формируется сигнал «Стирание». Этот сигнал запирает ключ для прекращения передачи очередного сообщения и посылается на КП для уничтожения записанного в накопителе сообщения. После этого с ПУ производится повторная передача сообщения, записанного в накопителе.
Имеются различные варианты передачи с ИОС. Так, существуют системы с ИОС, в которых передача сигналов происходит непрерывно и прекращается лишь при обнаружении ошибки: передатчик посылает сигнал «Стирание» и повторяет передачу. Системы с ИОС, в которых по обратному каналу передается вся информация, переданная на КП, называются системами с ретрансляционной обратной связью. В некоторых системах с ИОС передается не вся информация, а только некоторые характерные сведения о ней (квитанции). Например, по прямому каналу передаются информационные, а по обратному каналу - контрольные символы, которые будут сравниваться на передатчике с предварительно записанными контрольными символами. Имеется вариант, в котором после проверки принятого по обратному каналу сообщения и обнаружения ошибки передатчик может либо повторить его (дублирование сообщения), либо послать дополнительную информацию, необходимую для исправления (корректирующая информация). Число повторений может быть ограниченным или неограниченным.
Обратный канал используют для того, чтобы определить, необходима ли повторная передача информации. В системах с ИОС повышение достоверности передачи достигается путем повторения информации только при наличии ошибки, тогда как в системах без обратной связи (при передаче с накоплением) повторение осуществляется независимо от искажения сообщения. Поэтому в системах с ИОС избыточность информации значительно меньше, чем в системах с ПБОС: она минимальна при отсутствии искажений и увеличивается при ошибках. В системах с ИОС качество обратного канала должно быть не хуже качества прямого во избежание искажений, которые могут увеличить число повторений.
