Способ передачи информации
Изобретение относится к информатике и может использоваться в цифровых системах передачи информации и радиосвязи. Достигаемый технический результат - создание высокоскоростного кода, способного частично решить проблему перегруженности передающих линий. В способе передачи информации передаваемый сигнал формируют, используя источник сообщений, который содержит два одинаковых по длительности двухуровневых символа с одинаковой вероятностью их выбора, а также два одинаковых по длительности дополнительных символа с добавленным третьим электрическим уровнем, при этом бит логической единицы кодируют как положительным, так и отрицательным перепадами сигнала в середине битового интервала, а бит логического нуля - как положительным, так и отрицательным перепадами сигнала на первой трети битового интервала с добавлением третьего уровня. 8 ил.
Изобретение относится к информатике и может быть использовано в цифровых системах передачи информации и в радиосвязи.
Важнейшим показателем развития информационных технологий является постоянное нарастание объемов передаваемой и обрабатываемой информации, что вызвано бурным развитием информатики в последнее десятилетие и, как следствием этого, постоянно возрастающей нагрузкой на передающие линии. Увеличение скорости передаваемой информации, как известно, напрямую зависит от пропускной способности канала - недостаточный уровень которой в случае, когда он меньше производительности источника сообщений, ведет к потере части информации. Увеличение пропускной способности канала за счет расширения полосы пропускания не всегда технически возможно, как это имеет место в случае с применением телефонных линий в сети Internet. Поэтому иногда наиболее действенным способом увеличения скорости передаваемой информации становится максимальное приближение производительности источника к уже имеющейся пропускной способности канала. Производительность источника, в свою очередь, может возрастать или за счет применения кодов, сводящих его избыточность к минимуму, либо введением дополнительных независимых источников. Примером такого способа увеличения скорости передаваемой информации при сохраняющейся пропускной способности канала может служить предлагаемый модифицированный код.
Задачей изобретения является модификация кода, использующего один канал передачи, которым является фазоманипулированный код (Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения. Радио и связь, 1990) посредством введения в алфавит источника, формирующего этот код (фиг.4а), двух символов, на основе которых получают два независимых источника использующих разные способы кодирования и имеющие в своих алфавитах по четыре символа с равной вероятностью их выбора, из которых двумя формируют логическую единицу, а двумя логический нуль для передаваемого двоичного сообщения (фиг.4б, в).
Технический результат изобретения - создание высокоскоростного кода, способного частично решить проблему перегруженности передающих линий. Если данные посылаемого сообщения исходят от разных источников, количество бит, поступающих на вход канала в единицу времени, возрастает в среднем в 1,6 раза по сравнению с фазоманипулированным кодом или кодами AMI. Другой областью применения полученного кода может быть его использование в радиосвязи в качестве кода с высокой помехоустойчивостью, когда посылаемое по радиолинии сообщение может быть продублировано передачей вторым источником. В этом случае учитывается влияние помех, которые могут быть представлены в виде отдельного источника. Действие помех приводит к тому, что при известных событиях (данных) появляется некоторая неопределенность их исхода на выходе канала. Степень неопределенности, вызванная действием помех, может заметно отличаться для каждого источника в отдельности, т.е. энтропия помех на выходе канала может быть разрушительна для сообщения исходящего от одного источника и незначительна для другого. В любом случае при любом уровне помех достоверность принимаемого сообщения, а следовательно, помехоустойчивость сигнала, передающего информацию от двух независимых источников, возрастает в два раза. Полученный код удовлетворяет основным требованиям, предъявляемым к передающим кодам, т.е. он не содержит в своем спектре постоянной составляющей, информация передается только по одному каналу и полностью восстанавливается декодером при любой длительности сообщений.
Информационные возможности полученного кода значительно возрастают благодаря суммарному воздействию двух независимых источников, в которых применяются разные способы кодирования. В первом из них используется фазоманипулированный метод (фиг.1а, б). Кодирование сообщения во втором источнике основано на способе, в котором биты представлены двухполярным сигналом и двухполярным сигналом с добавлением третьего "нулевого" уровня (заявка №2000104570/09(004608)). Условно такой код может быть обозначен как код TPZ (two poles - zero) (фиг.3а, б). Тогда H(fm)+H(tpz)=H(tm), где H(fm) - энтропия источника с применением фазовой манипуляции; H(tpz) - энтропия источника с применением кода TPZ; H(tm) - энтропия системы, состоящей из двух источников (tm - сокр. от two messages). Фазоманипулированное представление сигнала в полученном коде имеет отличительную особенность при сравнении его кодом "Манчестер-11" - биты обоих логических значений могут иметь избыточность в виде дополнительного электрического уровня (третьего "нулевого" уровня), (фиг.2а,б). Трехуровневое представление сигнала в полученном коде в сравнении его с сигналом в коде TPZ дает избыточность, выражающуюся представлением бит как положительными, так и отрицательными перепадами битового интервала при переходе от одной полярности к другой (фиг.2а, б). Из сказанного следует, что если рассматривать комбинированный сигнал, формируемый двумя источниками только как фазоманипулированный или только как представленный кодом TPZ - в обоих случаях он будет проигрывать кодам TPZ и "Манчестер II" в их "классическом" варианте. В первом случае в спектре модифицированного сигнала появляется вторая низкочастотная составляющая (фиг.2 и фиг.3), во втором - введение третьего уровня в итоге снижает скорость передачи бит (фиг.1 и фиг.2).
Количество символов в алфавитах обоих источников будет равно четырем с одинаковой вероятностью их выбора (фиг.4б, в). Из них два символа передают логическую единицу, а два логический нуль. В источнике, передающем фазоманипулированный сигнал (фиг.4 в), логическая единица может кодироваться отрицательным перепадом сигнала в середине битового интервала или же отрицательным перепадом сигнала в первой трети битового интервала с учетом добавляемого третьего уровня. То же самое относится к логическому нулю с той лишь разницей, что в этом случае используется положительный перепад. При передаче от второго источника разнополярного трехуровневого сигнала логическая единица может передаваться двумя символами алфавита источника с разным чередованием полярностей - как с минуса на плюс, так и с плюса на минус (фиг.4б). При передаче логического нуля используются такие же разночередующиеся по полярности символы, но с добавлением третьего уровня. Другими словами - биты каждого источника передаются одними и теми же четырьмя символами, но в разных их комбинациях и способах кодирования относительно логического значения бита. Поскольку оба логических значения равновероятны, энтропии обоих источников будут одинаковы и равны единице. Можно заметить, что передача информации от двух источников комбинированным сигналом возможна благодаря использованию для формирования бита двух символов, т.е. каждый бит получает на выбор один из двух символов. Теоретически возможна передача N-канального сигнала при условии, что посылка бита одного логического значения будет осуществляться N символами. В то же время наличие четырех символов предполагает присвоение каждому из них индивидуального информационного значения в виде отдельного события. В этом случае энтропия системы, состоящей из двух источников, становится равной сумме энтропии одного источника и условной энтропии другого: H(tm)=H(fm)+H(tpz/fm) или H(tm)=H(tpz)+H(fm/tpz), т.е. будет состоять из двух взаимозависимых источников.
Длительности всех трех уровней будут равны, при этом длительности бит одного и того же логического значения могут отличаться на одну треть, из чего следует, что скорость передачи бит, с учетом того, что начальная фаза для сигналов обоих каналов одинакова и равна нулю (фиг.2а, б), будет одной и той же как для первого, так и для второго источника. Алфавит фазоманипулированного кода состоит из двух символов, длительности которых можно обозначить: Та - для "единичного" бита и Tb - для "нулевого" бита. Если сюда добавляются два символа, включающие в себя третий дополнительный уровень, биты обоих логических значений приобретают новый способ кодирования, что будет равносильно появлению нового источника, работающего параллельно существующему. При этом длительности бит с равной вероятностью могут принимать два значения - Та и (3Та)/2; Tb и (3Тb)/2. Тогда усредненная длительность бит для обоих источников будет равна [(3Та)/2+Та]/2=Та+Та/4 и [(3Tb)/2+Tb]/2=Tb+Тb/4. Если сообщение содержит n бит, то общее время, затраченное на его передачу, будет равно n(Т+Т/4), где Т=Та=Tb - длительность бита. Для фазоманипулированного кода соответственно - nТ. Тогда nТа/n(Т+Т/4)=4/5, т.е. скорость передачи бит для каждого условного канала снижается в среднем на 20% по сравнению с кодом "Манчестер II". В целом же скорость передачи информации полученным кодом при неизменной пропускной способности передающей линии возрастает в среднем в 1,6 раза.
Согласно теореме Шеннона, если пропускная способность передающей линии превосходит количество информации, поступающей от источника на ее вход в единицу времени, то соответствующим кодированием вся поступающая информация может быть передана по линии со скоростью, сколь угодно близкой к ее пропускной способности. В данном случае модифицированный сигнал является примером кодирования, результатом которого будет увеличение поступающей от источника информации в 1,6 раза по сравнению с фазоманипулированным сигналом по линии, адаптированной к его характеристикам, т.е. может передаваться по тому же каналу, что и ФМ код, поскольку содержит в своем спектре те же передающие частоты. Приблизительная ширина спектра фазоманипулированного кода определяется по упрощенной ф-ле: П=2,6Δf+1,5B, где В - скорость передачи бит, Δf - разность верхней и нижней частот. Например, если верхняя частота равна 10 МГц, то Δf=5 МГц, а В=Fн=5 МГц, тогда П=2,6×5+1,5×5=20,5 МГц. Спектр излучения сигнала, передаваемого в модифицированном коде в случае, когда третий уровень отсутствует, станет равен спектру фазоманипулированного сигнала, т.е. это будет максимально возможная ширина спектра для полученного кода. В общем случае, если рассчитывать полосу частот по самому короткому радиоимпульсу модифицированного сигнала, то при частоте 10 МГц будем иметь П=1/t=10 МГц, где t - длительность радиоимпульса, равная 0,1 мкс.
Один из возможных вариантов получения модифицированного кода показан на упрощенной схеме кодера, фиг.5 Кодер работает следующим образом: содержимое ЗУ(RАМ), на основе которого строится фазоманипулированный код одного канала, побитово считывается стробами по положительному фронту, предварительно промодулированными битами второго канала, как показано на диаграмме "а)" фиг.6. Чтобы исключить "слипание" бит одного логического значения, считанные из ЗУ биты проходят дополнительное подтверждение на элементах 1 и 3 для единиц и нулей соответственно (на фиг.6 диаграммы "в)" и "е)"). При этом "единичные" биты подаются на конъюнктор 1, а "нулевые" - через инвертор 2 на конъюнктор 3 (диаграммы "б)" и "д)" на фиг.6). Одновибраторы AG4 и AG5 с использованием элементов "исключающие или" 6 и 7 соответственно, формируют импульсы, сдвинутые по фазе по отношению к импульсам на выходах элементов 1 и 3 на половину периода "единичного" бита модулирующего сигнала (диаграммы "г)" и "ж)" на фиг.6). Полученные сигналы подаются на ОУ, имеющие питающие напряжения разных полярностей в зависимости от того, какой бит требуется получить (U8, 9, 10 и 11) и далее на общий выходной усилитель (U12), с выхода которого снимается результирующий сигнал (диаграмма "з)" на фиг.6).
8. Дешифрация сигнала несколько более сложная. Она состоит из двух этапов:сначала воспроизводится модулирующий сигнал - он же сигнал первого канала. Точность его восстановления обеспечивается фронтами фазоманипулированной составляющей сигнала, относящейся ко второму каналу, который на втором этапе преобразований восстанавливается по воссозданному модулирующему сигналу первого канала. Упрощенная схема декодера показана на фиг.7, а его работа иллюстрируется диаграммами на фиг.8 в интервале времени Tk-To. Первоначально входной сигнал преобразуется из двухполярного в однополярный (диаграмма "а)" фиг.8), и уже в таком виде подается на ОУ (U1, 2, 3 и 4 на фиг.8). U1, 2, 3 и 4 представляют собой аналоговые компараторы, в которых опорные напряжения на U1 и U2 близки по значению к амплитудному. На диаграмме "б)" показаны сдвоенные импульсы на выходах U1 и U2. Разности их длительностей по фронтам (диаграмма "в)") выделяются на выходе элемента 5. Опорные напряжения на U3 и U4 также близки по значению - одно из них несколько больше третьего промежуточного уровня напряжения, равного половине амплитудного уровня, второе чуть меньше. Сигналы на их выходах показаны соответственно на диаграммах "г)" и "д)". Результатом вышеприведенных преобразований будет появление на элементе 6 импульсов, синхронных с появлением третьих промежуточных уровней (диаграмма "е)". С их помощью осуществляется фильтрация "лишних" импульсов на выходе элемента 5 (диаграмма "в)"), для чего они получают приращение в виде заштрихованных областей на инверсном выходе одновибратора AG10 (на фиг.8 это не показано). На диаграмме "ж)" показана отфильтрованная импульсная последовательность. Параллельно с этим в цепи "AG9 - элемент 8" происходит удаление импульсов отрицательного фронта. В результате проведенных преобразований импульсная последовательность "в)" принимает окончательный вид, как это показано на диаграмме "з)", а с положительного выхода AG9 снимается восстановленный сигнал первого канала (диаграмма "и)"). Последней операцией будет дешифрация фазоманипулированного кода второго канала и приведение его к виду, показанному на диаграмме "к)". Это можно сделать с помощью элемента "исключающее или" серии КМОП, который будет воспринимать промежуточные уровни как логические нули. Дальнейшее преобразование, не показанное на схеме, выглядит достаточно просто - дешифрированный сигнал на диаграмме "к)" заносится в ЗУ или сдвиговый регистр тактовой модулированной последовательностью (диаграмма "и)" или "з)"), которая после правильно выбранной временной задержки может использоваться уже как считывающая из того же устройства временного хранения данных и таким образом вновь участвовать в репродуцировании первоначального двухканального кода, т.е. служить связующим звеном между декодером и кодером.
Способ передачи информации с использованием одного канала передачи, при котором передаваемый сигнал формируют, используя источник сообщений, ансамбль которого содержит два одинаковых по длительности двухуровневых символа с одинаковой вероятностью их выбора, где первый символ представляет собой положительный перепад битового интервала, используемый для передачи логического нуля, а второй - отрицательный перепад, предназначенный для передачи логической единицы, отличающийся тем, что в ансамбль вводят два одинаковых по длительности дополнительных символа с добавленным третьим электрическим уровнем, равным трети битового интервала добавленных символов или половине битового интервала имеющихся символов, и в которых на первом из них полярность меняют положительным перепадом, а во втором - отрицательным, в результате чего биты формируемого двоичного сообщения могут быть кодированы двумя символами и двумя способами, а именно: бит логической единицы кодируют отрицательным перепадом сигнала в середине битового интервала или отрицательным перепадом на первой трети битового интервала с добавлением третьего уровня, а бит логического нуля - положительным перепадом в середине битового интервала или положительным перепадом на первой трети битового интервала с добавлением третьего уровня, бит логической единицы кодируют как положительным, так и отрицательным перепадами сигнала в середине битового интервала, а бит логического нуля - как положительным, так и отрицательным перепадами сигнала на первой трети битового интервала с добавлением третьего уровня.
