Обнаружение и коррекция ошибок в передаваемой информации

Причины возникновения и типы ошибок

Любое техническое средство может вызывать ошибки: ситуации, когда двоичная единица под воздействием ряда факторов может преобразовываться в нуль и наоборот. Контроль этих ошибок важнейшая задача, которая должна быть реализована программно-техническими средствами. Причинами возникновения ошибок являются затухание сигнала, тепловой шум и помехи.

Затухание сигнала — это уменьшение значения тока, напряжения или мощности принимаемого сигнала, когда часть энергии сигнала рассеивается в виде потерь по мере его распространения в линии связи, что снижает четкость приема.

Шум — это ложные сигналы, которые объединяются с сигналом, предназначенным для передачи и приема, и искажают его. Белый шум (тепловой шум) — статистический однородный шум. Он является результатом движения заряженных частиц в физической среде передачи данных. Белый шум влияет на все электрические приборы и проявляется независимо от физической среды. Устранить тепловой шум невозможно, потому наивысшая производительность систем передачи данных (СПД) ограничена именно его величиной.

Помеха — нежелательная энергия, приводящая к искажению сигнала во время обработки, хранения и передачи информации. Выделяют источники помех, в которых происходит формирование этой нежелательной энергии, приемники помех, получающие искаженный сигнал, и канал связи между ними.

Помехи могут возникать как вне аппаратных средств, принимающих сигнал, так и внутри них. В первом случае говорят о внешних помехах, во втором — о внутренних. Примерам внешних источников помех могут служить грозовые разряды, источники мощного радиоизлучения, электросварочное оборудование, электрифицированный транспорт. В качестве примеров внутренних помех можно указать электромагнитные возмущения, связанные с работой отдельных внутренних устройств, например, конденсаторов. Как внешних, так и внутренних источников помех может быть несколько. Отдельные устройства могут являться и приемниками помех, и их источниками для других устройств. Приемниками помех считаются устройства и входные электрические цепи аппаратуры каналов связи.

Различают полезный сигнал S_c(t), т. е. сигнал, несущий информацию, которую следует передать, и сигналы помех S_n(t), генерируемые источниками помех. Указание парамера t означает, что полезный сигнал и сигнал помех зависят от конкретного момента времени.

Результирующий сигнал a (t), получается как суммарная величина полезного сигнала и сигнала помех. Если a (t) может быть представлен в виде.

то помеха называется аддитивной. Если же a (t) представляется в виде.

то помеха называется мультипликативной.

Если сигнал S_n(t) является вполне определенной функциональной зависимостью, зная которую можно абсолютно точно восстановить полезный сигнал на основе результирующего, то такие помехи называются регулярными. Если же восстановить исходный сигнал невозможно, то говорят о нерегулярных помехах. В этом случае происходит нарушение взаимно-однозначного соответствия между исходным и полученным сигналами.

По вид}' сигнала помех S_n(t) выделяют два тина помех:

• 1. Шумовые noAiexu. В этом случае сигнал S_n(t) является непрерывной случайной функцией времени. Обычно помехи подобного тина являются результатом наложения помех от многих отдельных источников, причем величина, энергетических выбросов может превышать энергию сигнала в 3−4 раза. Шумовые помехи S_n(t) в большинстве случаев подчиняются нормальному закону распределения.
• 2. Импульсные помехи (хаотические). В этом случае сигнал S_n{t) представляет собой последовательность отдельных энергетических выбросов (импульсов) со случайными параметрами: амплитудой, моментом появления, длительностью.

В СВТ наибольшую опасность представляют нерегулярные аддитивные импульсные помехи. Они являются наиболее распространенными и во многих случаях имеют параметры, близкие к параметрам полезного сигнала. Это обстоятельство усложняет задачу контроля ошибок при передаче данных.

Одной из часто возникающих разновидностей помех являются наводки (наведенные сигналы), под которыми понимается возникновение или изменение электрического потенциала при воздействии на сигнал электромагнитных полей. Наводки возникают при работе электронных плат, между кабелями. Отдельное место занимают так называемые паразитные наводки, представляющие собой появление новых каналов связи, нс предусмотренных общей схемой или конструкцией аппаратуры (например, «проскакивание» заряда между дорожками на плате). Паразитные наводки могут достаточно сильно влиять на работу аппаратуры. Например, наведенный сигнал помехи вполне может восприниматься аппаратурой как информационный сигнал.

Наводки порождаются нс только внутренними, но и внешними источниками электромагнитного излучения. Типичными причинами появления наводок в этом случае можно назвать заземление электрических устройств и наличие общей электрической связи между системой электропитания электронного устройства и сильноточного оборудования. Так, при заземлении электросварочного оборудования протекающие в земле токи могут достигать тысяч ампер, что приводит к появлению наводок. При использовании дуговой сварки на ток в электрической сети может накладываться переменный ток от самого сварочного оборудования.

В современных СВТ внутренние наводки могут проявляться в интегральных схемах средней и большой сложности. Сами схемы и межсоединения в печатных платах могут становиться источниками помех из-за увеличения плотности элементов. Несмотря на то, что с увеличением сложности схемы передаваемые энергетические сигналы имеют тенденцию к снижению, количество внутренних наводок при этом увеличивается.

Помехоустойчивыми считаются технические средства, которые продолжают выполнять свои функции без искажения информации. Другими словами, в принимаемой информации не должно быть ошибок. Применение помехоустойчивых технических средств актуально во всех сферах деятельности человека, в том числе и экономической, когда важна точность при обработке информации о денежных потоках.

Итак, затухание сигнала, шум и помехи являются основными причинами, в результате которых возникают ошибки — изменение передаваемых бит. Встречаются два основных вида ошибок:

• 1. Ошибка в одном бите. Представляет собой сбойную ситуацию, когда переданной единице соответствует полученный нуль и наоборот. Подобные ошибки не влияют на значения соседних бит.
• 2. Пакетные ошибки. Представляет собой непрерывную последовательность бит, в которой первый и последний бит переданы с ошибкой, а промежуточные биты могут быть как ошибочными, так и правильными. Количество бит в пакетной ошибке называется се кратностью.

Битовые ошибки чаще всего вызываются белым шумом: получатель сигнала не может отличить 0 от 1 при ухудшении отношения сигнал/шум.

Пакетные ошибки являются более распространенными. Они могут быт следствием непродолжительных импульсных помех и затухания сигнала. Нахождение и исправление пакетных ошибок является существенно более сложной задачей, нежели устранение битовых ошибок. Нс последнюю роль в этом играет скорость передачи данных. Например, если при скорости передачи данных 10 Мбит/с импульсная помеха длится 1 мкс, то результирующий пакет ошибок будет иметь размер 10 бит. При увеличении скорости до 100 Мбит/с размер пакета увеличивается до 100 бит.

Однако в наличии пакетных ошибок существуют и положительные моменты. СВТ всегда передают данные битовыми блоками. Если, например, вероятность возникновения ошибки составляет 0,001 на бит, а ошибки искажают 100 бит подряд, то при передаче блока данных размером 1000 бит из 100 таких блоков будут испорчены (в среднем) один или два. При битовых ошибках количество ошибочных блоков было бы очень велико.