Устройство моделирования канала связи

Устройство моделирования канала связи относится к области техники связи и может быть использовано в системах передачи дискретной информации. Достигаемый технический результат - расширение области применения устройства за счет моделирование потока ошибок по блочной статистике канала связи. Устройство содержит сумматор по модулю два (1), коммутатор источника ошибок (2), блок источника ошибок (3), датчик случайных чисел (5), запоминающие устройства (6, 8), коммутатор состояний (7), дешифратор нуля (4). 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области техники связи и может быть использовано для моделирования дискретного канала связи с независимыми и группирующимися ошибками.

Для сравнения различных систем связи и прогнозирования их характеристик без проведения натурных испытаний используются различные устройства, моделирующие поток ошибок в канале связи. Заявляемое устройство используется для моделирования симметричного двоичного канала связи и позволяет получать поток ошибок, необходимый для лабораторных испытаний аппаратуры передачи данных.

Во всем мире телекоммуникационные устройства тестируются на соответствие требованиям по вероятности приема сообщений в различных каналах связи. Испытания проводятся в сертификационных центрах, лабораториях Министерства Связи, во всех ведомствах, имеющих свои каналы связи.

Государственные ведомства, крупные банки, владельцы сетей передачи данных, активно эксплуатирующие средства передачи данных, вынуждены проводить их сравнительные испытания. Важным параметром является устойчивость устройств к различным помехам и искажениям.

Для проведения подобных сравнительных тестов используют устройства моделирования канала связи. На входе этих устройств задают параметры канала связи, а на выходе получают побитный поток ошибок в этом канале связи.

В предлагаемом устройстве для моделирования канала связи используют блочную статистику ошибок канала связи. Под блочной статистикой ошибок канала связи понимают распределение P(t, n) вероятностей t ошибок в блоке информации длины n бит для различных значений t и n (t≤n). Вычисление блочной статистики ошибок канала связи при экспериментальном исследовании канала связи не представляет труда. Оценкой блочной статистики является отношение числа блоков информации длины n бит, принятых с t ошибками, к общему числу переданных блоков информации.

Известно устройство моделирования канала связи с независимыми ошибками, содержащее сумматор по модулю два, вход которого является информационным входом устройства, другой вход соединен с выходом блока сравнения, вход которого соединен с датчиком случайных величин, другой вход является управляющим входом устройства, и выход сумматора по модулю два является выходом устройства [Зелигер Н.Б. Основы передачи данных. Учебное пособие для вузов. М.: Связь, 1974, стр.25].

Недостатком этого устройства является ограниченная область его использования, так как содержащиеся в нем функциональные узлы предназначены для получения независимых ошибок, а распределение ошибок в реальных каналах связи, как правило, имеет тенденцию к группированию, то есть отличается от распределения независимых ошибок.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство моделирования канала связи с группирующимися ошибками (прототип), содержащее сумматор по модулю два, вход которого является информационным входом устройства, другой вход соединен с выходом коммутатора источника ошибок, информационные входы которого соединены с блоком источника ошибок, и выход сумматора по модулю два является выходом устройства [Советов Б.Я., Стах В.М. Построение адаптивных систем передачи информации для автоматизированного управления. Л.: Энергоиздат, Ленингр. отд-ние, 1982, стр.29].

Недостатком этого устройства является отсутствие функциональных узлов, позволяющих получать поток ошибок, используя блочную статистику ошибок канала связи. Область применения этого устройства ограничивается только моделированием тех каналов связи, для которых точно известен закон получения потока ошибок.

Цель изобретения - расширение области применения устройства путем моделирование потока ошибок канала связи по блочной статистике канала связи.

Для достижения цели предложено устройство, содержащее сумматор по модулю два, вход которого является информационным входом устройства, другой вход соединен с выходом коммутатора источника ошибок, информационные входы которого соединены с блоком источника ошибок, и выход сумматора по модулю два является выходом устройства. Новым является то, что в устройство введены датчик случайных чисел, первое ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), второе ПЗУ, коммутатор состояний и дешифратор нуля. При этом выход коммутатора источника ошибок соединен с входом блока источника ошибок, датчиком случайных чисел и входом дешифратора нуля, выход датчика случайных чисел соединен с входами первого ПЗУ и второго ПЗУ, выходы которых подключены к информационным входам коммутатора состояний, управляющий вход которого соединен с выходом дешифратора нуля, а выход подключен к входу дешифратора нуля и управляющему входу коммутатора источника ошибок.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство моделирования канала связи содержит сумматор по модулю два 1, коммутатор источника ошибок 2, блок источника ошибок 3, дешифратор нуля 4, датчик случайных чисел 5, первое ПЗУ 6, коммутатор состояний 7, второе ПЗУ 8.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Комбинации ошибок в устройстве формируются в блоке источника ошибок 3. Всевозможные комбинации ошибок могут быть составлены из двоичных комбинаций вида 0ⁱ1, состоящих из i нулей и 1 единицы, где i≥0. В случае, если i=0, единицы будут следовать друг за другом. Блок источника ошибок 3 может быть реализован, например, в виде регистра сдвига, на вход которого постоянно поступает логическая единица, а вход первого разряда и выходы всех разрядов подключены к входам коммутатора источника ошибок 2. На тактовый вход блока источника ошибок 3, который не показан на чертеже, постоянно подана тактовая частота, совпадающая с частотой поступления информации на вход устройства. По сигналу установки c выхода коммутатора источника ошибок 2 (единица на выходе коммутатора источника ошибок 2) блок источника ошибок 3 (регистр сдвига) устанавливается в нулевое состояние, а затем на выходе i-го разряда блока источника ошибок 3 в течение i тактов частоты будет двоичная комбинация вида 0ⁱ1.

Выбор той или иной двоичной комбинации 0ⁱ1 осуществляет коммутатор источника ошибок 2, который по сигналам управления с выхода коммутатора состояний 7 подключает выход блока источника ошибок 3, соответствующий двоичной комбинации 0ⁱ1, ко входу сумматора по модулю два 1.

Сигнал установки с выхода коммутатора источника ошибок 2 поступает также на вход датчика случайных чисел 5, который вырабатывает по этому сигналу равномерно распределенное случайное число. Диапазон случайных величин определяется размером адресной области первого ПЗУ 6 и второго ПЗУ 8. Пример реализации датчика случайных чисел 5 описан в источнике [Блох Э.Л. и др. Модели источника ошибок в каналах передачи цифровой информации. М.: Связь, 1971, стр.232].

Далее случайное число с выхода датчика случайных чисел 5 поступает на адресные входы первого ПЗУ 6 и второго ПЗУ 8. В зависимости от величины случайного числа на входе первого ПЗУ 6 и второго ПЗУ 8 с их выходов на информационные входы коммутатора состояний 7 поступают сигналы, соответствующие числам, определяющим длину серий нулей в двоичной комбинации 0ⁱ1. Первое ПЗУ 6 и второе ПЗУ 8 осуществляют преобразование случайного числа в длину серий нулей между соседними ошибками в потоке ошибок канала связи. Закон такого преобразования определяется содержимым первого ПЗУ 6 и второго ПЗУ 8. Содержимое первого ПЗУ 6 и второго ПЗУ 8 вычисляется заранее. Рассмотрим в качестве примера реализации устройства вычисление содержимого первого ПЗУ 6 и второго ПЗУ 8 для модели канала с группированием ошибок по Пуртову.

Модифицированная модель канала связи по Пуртову задается блочной статистикой канала связи [Самойлов В.М. Обобщенная аналитическая модель канала с групповым распределением ошибок. Вопросы радиоэлектроники, сер. ОВР, вып.6, 1990]. Согласно модифицированной модели канала связи по Пуртову вероятность t и более ошибок (t≥2) в блоке длины п бит выражается формулой:

где p - средняя вероятность ошибок (р≤0.5),

а - коэффициент группирования ошибок (0≤а≤1), значение а=0 приближенно соответствует каналу с независимыми ошибками, а=1 - каналу, когда все ошибки сосредоточены в одной группе,

где

Вероятность искажения кодовой комбинации равна

Эта модель ошибок определяется всего двумя параметрами р и а, и при различных параметрах модели достаточно точно описывает многие реальные каналы связи.

Блочная статистика этого канала связи определяется уравнением

Пусть р(0ⁱ)- вероятность появления безошибочного интервала длиной i бит, 1=0, 1,.... Эту вероятность вычисляют на основании формулы (2)

Далее на основе распределения вероятностей p(0ⁱ) вычисляют распределения вероятностей р(0ⁱ1), p(10ⁱ1), p(110ⁱ1), где 1 означает ошибочный бит.

Эти вероятности вычисляют по рекуррентным правилам

При выводе формул (3), (4) и (5) используют теорему о полной вероятности:

откуда

Справедливо

откуда

или

откуда

или

Затем вычисляют условные вероятности

где безусловные вероятности p(10ⁱ⁺¹1) и р(110ⁱ1) получают по формулам (4) и (5) соответственно, a p(11)=1-2×р(0)+р(00) и р(01)=р(0)-p(00).

Условные вероятности р(0ⁱ1/11) и р(0ⁱ1/01) задают вероятности безошибочных интервалов длины i бит, при условии, что до этого моделью генерировалась комбинация 11 или 01 и для генерации ошибок используется всего два состояния канала связи, соответствующие комбинации ошибок 11 и 01. Только такие комбинации ошибок могут быть в моменты времени, предшествующие моменту установки или смены состояний, поскольку генерируются последовательности вида 0ⁱ1, а переход из одного состояния в другое осуществляется по 1. При i=0 состояние канала связи будет соответствовать комбинации 11, а при i>0 - состоянию 01.

Первое ПЗУ 6 определяет число i, соответствующее длине безошибочного интервала согласно условной вероятности p(0ⁱ1/11), а второе ПЗУ 8 определяет число i, соответствующее длине безошибочного интервала по условной вероятности р(0ⁱ1/01). Все адресное пространство первого ПЗУ 6 и второго ПЗУ 8 разделено на области, размер которых пропорционален условным вероятностям р(0ⁱ1/11) и р(0ⁱ1/01) соответственно. Содержимым каждой такой области первого ПЗУ 6 и второго ПЗУ 8 является число i. Равномерно распределенное число с датчика случайных чисел 5 с вероятностями p(0ⁱ1/11) и р(0ⁱ1/01) попадает в область адресов с содержимым, равным числу i, которое задает длину безошибочного интервала для модели ошибок. Таким образом, на выходе первого ПЗУ 6 и второго ПЗУ 8 появляется число i, соответствующее серии нулей между соседними ошибками.

Коммутатор состояний 7 подключает к управляющему входу коммутатора источника ошибок 2 первое ПЗУ 6 или второе ПЗУ 8 в зависимости от управляющего сигнала с дешифратора нуля 4. Если длина безошибочного интервала между двумя единицами равна нулю, то состояние канала связи соответствует комбинации ошибок 11 и на выходе коммутатора состояния 7 будет сигнал, соответствующий нулю. В этом случае по разрешающему сигналу с выхода коммутатора источника ошибок 2 срабатывает дешифратор нуля 4. Коммутатор состояния 7 подключает к своему выходу первое ПЗУ 6. В следующие моменты времени (до следующей установки) сигнал с выхода первого ПЗУ 6 будет определять длительность безошибочного интервала. При длине безошибочного интервала, большей нуля, состояние канала связи соответствует комбинации ошибок 01. На выходе коммутатора состояния 7 будет ненулевой сигнал и дешифратор нуля 4 не срабатывает. В этом случае длительность безошибочного интервала будет определять сигнал с выхода второго ПЗУ 8. До появления разрешающего сигнала с выхода коммутатора источника ошибок 2 и следующего срабатывания дешифратора нуля 4 состояние канала связи будет соответствовать двоичной комбинации ошибок 01.

Сформированные таким образом двоичные комбинации ошибок суммируются с входной информацией устройства. Символы входной информации с входа устройства поступают на вход сумматора по модулю два 1, на другой вход которого поступает двоичная комбинация ошибок с выхода коммутатора источника ошибок 2. В сумматоре по модулю два 1 входная информация и двоичная комбинация ошибок суммируются по модулю два. На выходе сумматора по модулю два 1 будет информация с ошибками, которая затем поступает на выход устройства.

Условные вероятности р(0ⁱ1/11) и p(0ⁱ1/01), определяющие содержимое первого ПЗУ 6 или второго ПЗУ 8, вычисляются на ПЭВМ заранее по формулам (12) и (13) соответственно.

В качестве примера в таблице приведена блочная статистика P₁(t, n) модифицированной модели канала связи по Пуртову, рассчитанная по формулам (1) и (2), и аналогичная статистика P₂(t, n) потока ошибок, полученная при испытании предлагаемого устройства моделирования канала связи. Объем адресного пространства первого ПЗУ 6 и второго ПЗУ 8 был равен 32 кбайта. Параметры модифицированной модели канала связи по Пуртову: р=0.01, а=0.3, длина блока n=31, объем потока ошибок составлял 1000000 бит.

Таблица
t	0	1	2	3	4	5	6
P1(t, n)	0.895	0.049	0.020	0.011	0.007	0.005	0.003
P2(t, n)	0.896	0.048	0.020	0.011	0.006	0.004	0.003

Статистический критерий согласия χ², для теоретического P₁(t, n) и экспериментального P₂(t, n) распределения вероятностей ошибок равен χ²=0.974, что говорит о высокой степени приближения потока ошибок, генерируемого предлагаемым устройством к модифицированной модели канала связи по Пуртову.

В предлагаемом устройстве получение побитного потока ошибок канала связи осуществляют на основе блочной статистики канала связи, в частности, устройство использует статистику неискаженных интервалов. Во многих случаях при экспериментальных исследованиях канала связи получают именно статистику неискаженных интервалов. Рассматриваемое устройство, даже при генерации потока ошибок на основе всего лишь двух состояний канала связи, обеспечивает высокую точность модели.

Достигаемым техническим результатом предлагаемого устройства моделирования канала связи является расширение области его применения за счет моделирование потока ошибок канала связи по блочной статистике канала связи.

Устройство моделирования канала связи, содержащее сумматор по модулю два, вход которого является информационным входом устройства, другой вход соединен с выходом коммутатора источника ошибок, информационные входы которого соединены с блоком источника ошибок и выход сумматора по модулю два является выходом устройства, отличающееся тем, что в устройство введены датчик случайных чисел, первое постоянное запоминающее устройство, второе постоянное запоминающее устройство, коммутатор состояний и дешифратор нуля, при этом выход коммутатора источника ошибок соединен с входом блока источника ошибок, датчиком случайных чисел, выход датчика случайных чисел соединен с входами первого постоянного запоминающего устройства и второго постоянного запоминающего устройства, выходы которых подключены к информационным входам коммутатора состояний, управляющий вход которого соединен с выходом дешифратора нуля, а выход подключен к входу дешифратора нуля и управляющему входу коммутатора источника ошибок, при этом дешифратор нуля срабатывает по разрешающему сигналу с выхода коммутатора источника ошибок при наличии нуля на выходе коммутатора состояния.