НАЗАД

3.7. ИЗУЧЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО КАНАЛУ СВЯЗИ

Проблема передачи сообщений по каналу связи с шумом стала актуальной в начале 20 века в связи с развитием телеграфа и нашла свое решение в работах Клода Шеннона. В современных устройствах применяются различные способы модуляции и кодирования сигнала, позволяющие наиболее эффективно использовать канал связи, обнаруживать и исправлять ошибки, возникающие из--за помех. Понятно, что эти вопросы требуют соответствующего теоретического и экспериментального изучения. Ниже описана серия опытов в которых информация передается от одного компьютера к другому по непрерывному и дискретному (двоичному и недвоичному) каналам связи.

1. Передача сообщений с помощью амплитудной и частотной модуляции. Для выполнения этого и последующего экспериментов используется установка, состоящая из двух персональных компьютеров, цифро--аналогового и аналого--цифрового преобразователей, линии связи, звукового генератора, и трансформатора (рис. 1). Источник, управляемый программой, вырабатывает 8-разрядные двоичные слова, которые преобразуются цифро-аналоговым преобразователем в дискретный или аналоговый сигнал. Он проходит с двухпроводной линии, где смешивается с колебаниями звукового генератора, моделирующими помеху, и поступает на вход аналого-цифрового преобразователя. Нами использовался 256-разрядный самодельный АЦП, преобразующий входное напряжение в 8-разрядное двоичное слово. Для соединения ЦАП и АЦП с компьютерами используется LPT-порт. В качестве источника и приемника сообщений используются IBM-совместимые ПЭВМ с процессором 486DX2 и Pentium, операционные системы MSDOS и Windows98. Программы, генерирующие передаваемые сигналы и декодирующие принимаемые сигналы, написаны в среде Borland Pascal 7.0.

Рис. 1. Экспериментальная установка для изучения колебаний.

Рис. 1. Экспериментальная установка для изучения колебаний.

Для получания на выходе АЦП амплитудо-модулированного сигнала используется программа ПР-1. В канал связи поступают "высокочастотные" колебания промодулированиые низкочастотным синусоидальным сигналом (рис. 2.1). Внеся небольшие изменения в программу, можно получить АМ-сигнал, промодулированный цифровым сигналом (рис. 2.2). На рис. 2.3 показан результат частотной модуляции гармонического сигнала цифровым. На принимающем компьютере запускают программу ПР-2.

ПР - 1. Амплитудная модуляция: источник.

ПР - 2. Амплитудная модуляция: приемник.

Рис. 2. Амплитудная и частотная модуляция: 1) АМ передача аналогового сигнала;
2) АМ передача цифрового сигнала; 3) ЧМ передача цифрового сигнала.

Рис. 2. Амплитудная и частотная модуляция: 1) АМ передача аналогового сигнала; 2) АМ передача цифрового сигнала; 3) ЧМ передача цифрового сигнала.

2. Широтно-импульсная модуляция. Для передачи сообщений может использоваться широтно-импульсная модуляция (ШИМ), при которой изменяется ширина (длительность) вырабатываемых импульсов высокой "частоты" в соответствии с медленными изменениями модулирующего напряжения, несущего информацию. Для передачи сообщения от одной ПЭВМ к другой посредством ШИМ используются программы ПР-3 и ПР-4. При запуске программы ПР-3 на передающем компьютере на выходе ЦАП получается последовательность импульсов, длительность которых пропорциональна числам 1, 2, 3 и т.д., соответсвующих буквам a, b, c, d ...

ПР - 3. Широтно-импульсная модуляция: источник.

ПР - 4. Широтно-импульсная модуляция: приемник.

Принимающий компьютер декодирует пришедшую последовательность сигналов и выводит на экран цифры 1, 2, 3 ... соответствующие буквам a, b, c, d ... На рис. 3.1 приведен результат широтно-импульсного модулирования. На рис. 3.2 показана осциллограмма цифрового сигнала после прохождения канала связи с шумом.

Рис. 3. Цифровой сигнал до и после прохождения
двоичного канала связи с шумом.

Рис. 3. Цифровой сигнал до и после прохождения двоичного канала связи с шумом.

3. Импульсно-кодовая модуляция и многоуровневое декодирование в недвоичном канале связи с шумом. Один из способов повышения пропускной способности канала связи состоит в использовании многоуровнего кодирования и декодирования. В простейшем случае при этом получается последовательность импульсов, амплитуды которых принимают одно из дискретных значений напряжения, соответсвующих передаваемомй коду или аналоговому сигналу. В общем случае каждый импульс может состоять из двух, трех или более частей (составляющих), "высота" которых пропорционально нескольким значениям передаваемой величины.

Пусть по каналу связи передаются импульсы напряжения Ui=iΔ U, где i=-6,-5, ... ,5,6, причем в одном кодовом слове два импульса: (-4,4), (2,5) и т.д. Каждому такому слову соответствует точка в двумерном пространстве, образованном осями x1 и x2. Заполним это пространство шарами декодирования радиусом r=2 без самопересечений так, чтобы расстояние между центрами шаров L было не меньше 2r=4 (рис. 4). В результате получим код (0,0), (4,0), (2,4), (-2,4), (-4,0), (-2,-4), (2,-4). Расстояние Хэмминга между слова (0,0) и (4,0) равно 4, а между словами (0,0) и (2,4) равно 6.

Допустим передается кодовое слово (2,4), соответствующее какому-то символу. Если бы не было помех, то на выходе канала связи получился бы вектор y=(2,4). Из--за помех сигнал изменяется и получается y'=(3,3). Так как y' не совпадает с y, то код обнаруживает ошибку. Если вектор y оказывается внутри шара радиуса r=2, с центром в точке (2,4), то код исправляет ошибку. В случае, когда искажение сигнала слишком велико, например вместо (2,4) получается (-1,5), то соответствующая точка попадает внутрь другого шара и декодер неправильно декодирует данное слово.

Рис. 4. Исправление ошибок при декодировании.

Рис. 4. Исправление ошибок при декодировании.

ПР - 5. Импульсно-кодовая модуляция: источник.

В нашем случае напряжение на выходе ЦАП имело 256 градаций. Напряжение на выходе канала связи изменялось так, что используемый АЦП различал около 140 различных уровней напряжения. Чтобы поставить в соответствие двоичное слово на выходе АЦП двоичному слову на входе ЦАП использовался коэффициент m=1,84. В программе ПР-5 (для источника) каждой букве алфавита поставлен в соответствие вектор (пара чисел) x и y: букве а -- (75, 225), букве b -- (125, 225) и т.д. Программа разбивает сообщение на буквы и генерирует последовательность импульсов (рис. 5.1). Каждый импульс состоит из двух частей, величина которых пропорциональна коду (x, y), соответствующему передаваемой букве.

ПР - 6. Импульсно-кодовая модуляция: приемник.

Программа ПР-6 осуществляет многоуровневое декодирование принятого сигнала. Для полученного кодового слова (y1,y2) она определяет расстояние L до каждого центра сферы декодирования, и устанавливает к коду какой буквы это слово (y1,y2) ближе. Если слово (y1,y2) ближе к точке (75, 225), значит вероятнее всего передавалась буква a; если ближе к точке (125, 225), --- буква б и т.д. В результате на экран выводится последовательность чисел 1, 2, 3, ..., соответствующих буквам a, b, c, ... При увеличении амплитуды сигнала с выхода звукового генератора растет уровень помех (рис. 5.2). Это приводит к появлению ошибок при декодировании.

Рис. 5. Результат импульсно-кодовой модуляции до и после прохождения
канала связи с шумом.

Рис. 5. Результат импульсно-кодовой модуляции до и после прохождения канала связи с шумом.

В принципе можно получить и более сложные сигналы. На рис. 6 представлены осциллограммы дискретного сигнала, в котором каждый импульс имеет 4 части и переносит информацию о четырех значениях передаваемой величины.

Рис. 6. Дискретный сигнал в недвоичном канале связи.

Рис. 6. Дискретный сигнал в недвоичном канале связи. Один импульс несет информацию о четырех значениях передаваемой величины.

4. Исследование частотной зависимости коэффициента передачи канала связи. Важной характеристикой канала связи (в качестве него могут выступать усилитель, фильтр, любой четырехполюсник) является полоса пропускания. Широкополосный канал связи позволяет передавать видеоизображение, осуществлять одновременную передачу нескольких сообщений на разных частотах и т.д. Чтобы изучить зависимость коэффициента передачи канала связи от частоты, необходимо пропускать через него гармонические колебания разных частот и определять отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного. Чтобы ускорить этот процесс, вход канала связи соединяют с генератором качающейся частоты, который выдает синусоидальный сигнал изменяющейся частоты.

ПР - 7. АЧХ канала связи: источник.

ПР - 8. АЧХ канала связи: приемник.

В наших опытах в качестве генератора качающейся частоты может использоваться компьютер-источник. Для этого необходимо запустить программу ПР-7. Частота генерируемого синусоидального сигнала растет пропорционально времени до некоторой величины, затем резко уменьшается и снова начинает расти, далее процесс повторяется. На ПЭВМ-приемнике должна быть запущена программа ПР-8. При этом на экране монитора появляется ампдитудо-частотная характеристика канала связи (фильтра, усилителя). На рис. 7 показаны получающиеся АЧХ для канала связи, содержащего параллельный колебательный контур (L и C подключены к проводам линии параллельно).

Рис. 7. Частотная зависимость коэффициента передачи двухпроводной линии, 
содержащей колебательный контур.

Рис. 7. Частотная зависимость коэффициента передачи двухпроводной линии, содержащей колебательный контур.

5. ПЕРЕДАЧА СООБЩЕНИЙ ПО ДВОИЧНОМУ КАНАЛУ СВЯЗИ. Для того, чтобы продемонстрировать одностороннюю передачу информации по проводам достаточно два одинаковых компьютера соединить двумя проводниками через резистор 100 ом (рис. 8.1). Один провод --- общий, соединяет 25 вывод LPT--порта ПЭВМ 1 с 25 выводом LPT--порта ПЭВМ 2. Второй провод --- сигнальный, соединяет 3 вывод LPT--порта ПЭВМ 1 с 11 выводом LPT--порта ПЭВМ 2. На передающем компьютере следует запустить программу, кодирующую сообщение, а на принимающем --- программу, декодирующую сообщение. Обе программы могут быть написаны на языках QBasic или Pascal.

Рис. 8. Передача информации по двоичному каналу связи.

Рис. 8. Передача информации по двоичному каналу связи.

При запуске программы--кодера на ПЭВМ 1, она запрашивает передаваемое сообщение, состоящее из 0 и 1, затем последовательно перебирает символ за символом, осуществляя частотно--импульсное кодирование, так что на соответствующем выводе LPT--порта появляются импульсы напряжения изменяющейся частоты. Допустим, символу "1" соответствуют импульсы частотой f1, символу "0" --- импульсы частотой f2, если сообщение не передается, то на выходе --- лог. 0. Программу--декодер на ПЭВМ 2 запускают раньше начала сеанса связи, она должна осуществлять декодирование поступающих сигналов. После окончания передачи сообщения программа--декодер должна перейти в режим ожидания до начала следующего сеанса связи.

Для осуществления передачи сообщений по оптическому каналу связи к LPT--порту передающей ПЭВМ 1 через схему сопряжения 2 подключают полупроводниковый лазер--указку 3 (рис. 8.2). Его луч должен попадать на фотодиод 4, соединенный через формирователь сигнала 5 с LPT--портом принимающей ПЭВМ 6. Сначала запускают программу--декодер, принимающая ПЭВМ 2 находится в режиме ожидания. Затем запускают программу--кодер на ПЭВМ 1 и вводят сообщение в виде последовательности 0 и 1. ПЭВМ 1 осуществляет частотно--импульсное кодирование, лазер начинает мигать, периодически освещая фотодиод. ПЭВМ 6 декодирует сообщение и выводит его на экран. Можно предусмотреть передачу сообщений на русском языке, для этого программа--кодер сначала должна закодировать каждую из 32 букв пятью битами 0 или 1, а уже потом получившуюся последовательность 0 и 1 использовать для частотно--импульсной модуляции излучения лазера.

Рис. 9. Канал связи монитор-фоторезистор.

Рис. 9. Канал связи монитор-фоторезистор.

Можно обойтись и без лазера, а вместо него использовать монитор 2 компьютера 1 (рис. 9), на котором будет появляться и исчезать светлый прямоугольник. На против монитора следует установить фоторезистор 3, подключенный к входу операционного усилителя 4. Выход усилителя должен быть соединен с АЦП 5, который подключен к LPT-порту принимающей ЭВМ 6. Фоторезистор обладает большой инерционностью, поэтому пропускная способность такого канала связи невелика. Установка позволяет убедиться в справедливости утверждения: если производительность источника превышает емкость канала связи, то не найдется способа кодирования, позволяющего передать сообщение со сколь угодно малой вероятность ошибки.


ВВЕРХ

добавлено 28.06.11.