СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 1998 года по МПК H04L25/49 

Изобретение относится к технике электросвязи и может быть использовано при передаче цифровой информации по каналам, преимущественно приводной связи, например в локальных вычислительных сетях.

Известны средства передачи данных по каналам связи с различными ограничениями: по полосе частот, по взаимному влиянию, по экономичности и т.д. (см., например устройства преобразования сигналов (УПС) по книге под ред. В. П. Шувалова Системы электросвязи. М.: Радио и связь, 1987, стр. 346, 347, а также способы передачи по патентам: PCT (WO) N 90/12467, ЕПВ N 0461103, США N 5119402). При разработке практически любого средства связи решают задачу повышения скорости передачи информации, для чего, например с помощью модуляции, устанавливают такое соответствие между количеством передаваемой информации и элементами сигнала, которое обеспечивает максимальную скорость передачи при заданных ограничениях. Наиболее широкое распространение получили средства передачи данных, подобные УПС-ТГ, приведенные в упомянутой книге под ред. В.П.Шувалова (стр. 346), в которых для передачи информации используют наиболее простые - двоичные колированные сигналы. Использование двоичного кодирования и высокого уровня сигналов обеспечивает хорошие характеристики связи: дальность, простоту аппаратной реализации, возможность обработки сигналов в вычислительных средствах. Однако, двоично кодированные сигналы не позволяют в одном единичном интервале времени t передавать более одного бита информации, а сам единичный интервал не может быть короче из-за влияния на соседние каналы. Поэтому скорость передачи УПС-ТГ не превышает 200 бит/с, что нельзя считать удовлетворительным.

Известны способы, которые обеспечивают повышение скорости передачи, за счет ухудшения других характеристик связи. Например в устройстве УПС-НУ (см. в книге под ред. Шувалова стр. 346-347) скорость повышена за счет снижения уровня сигнала, что привело к сокращению дальности связи и усложнению аппаратуры.

Способ передачи цифрового широкополосного сигнала по патенту PCT (WO) N 90/12467, обеспечивает сравнительно высокую скорость за счет одновременной передачи различных частей информации по нескольким каналам связи, при этом усложняется аппаратура и возникает потребность использования нескольких каналов.

Известны средства совместного использования нескольких способов, например по патенту США N 5119402 способ и устройство для передачи сигналов в локальных сетях по неэкранированным скрученным проводам. Сравнительно высокая скорость достигается, как за счет использования нескольких (двух) каналов связи, так и за счет многоуровневой амплитудной модуляции, что связано с еще большим усложнением средств связи.

Известен способ уменьшения связи по отношению к соседним каналам при помощи кодирования в базовой полосе по патенту ЕПВ N 0461103, H 04 L 25/49, выбранный в качестве прототипа. В способе используют один канал передачи (двухпроводная линия), по которому двоично кодированные сигналы невозможно передавать с высокой скоростью из-за влияния на соседние каналы.

Исходя из допустимого влияния на соседние каналы определяют "шаговую скорость" передачи элементов сигнала, т.е. фактически устанавливают длительность единичного интервала t. Исходную последовательность двоичных символов на передающей стороне разбивают на блоки по m символов (в соответствии с патентом - по три символа). Каждому m-символьному блоку ставят в соответствие элемент сигнала одного из 2^m уровней. На приемной стороне сигнала усиливают, а элементы сигнала в соответствии с их уровнем преобразуют в двоичные m-символьные блоки, составляющие исходную последовательность двоичных символов.

Недостатки известного способа обусловлены, как свойствами многоуровневых сигналов, так и сложностью преобразования двоичных сигналов в многоуровневые и многоуровневых - в двоичные. Желание передавать в одном единичном интервале более двух-трех бит информации (т.е. одну из более восьми амплитуд) ведет к увеличению импульсных токов в линии и, следовательно, к возрастанию помех в собственном и соседних каналах. Многоуровневые сигналы критичны к нелинейным искажениям, что требует высокой точности аппаратных средств. Затухания в каналах, как правило, не известны и изменяются со временем, что затрудняет измерение уровней на приемной стороне. Кроме того, формирование, преобразование и обработка многоуровневых сигналов невозможна в вычислительных машинах, поэтому для выполнения этих операций необходимы достаточно сложные устройства: аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи.

Изобретение решает задачу повышения скорости передачи данных при одновременном сокращении аппаратных средств.

Решение задачи достигается тем, что в способе передачи и приема цифровой информации, в котором для передаваемого сигнала устанавливают длительность единичного интервала времени t и в котором на передающей стороне исходную последовательность двоичных символов разбивают на блоки по m символов в каждом, а на приемной стороне усиливают поступающий сигнал, дополнительно используют вспомогательный интервал времени, длительность τ которого определяют по формуле

где τ - длительность вспомогательного интервала;
t - длительность единичного интервала, равная минимальной длительности элементов сигнала в канале;
m - количество двоичных символов в m-символьном блоке,
в процессе формирования сигнала для передачи по каналу связи m-символьным блокам ставят в соответствие двухуровневые элементы сигнала так, чтобы перепад уровней разграничивал соседние элементы, при этом длительность элементов сигнала устанавливают в соответствии с числовым значением m-символьного блока по формуле
T_i= τ(2^m+K_i),
где
i - порядковый номер m-символьного блока:
i = 1, 2, 3...;
T_i - длительность i-го элемента сигнала;
K_i - числовое значение i-го m-символьного блока, принимающее одно из возможных значений 0, 1, 2,... (2_m -1),
а при приеме после усиления восстанавливают прямоугольную форму элементов сигнала, в каждом из них в двоичном коде подсчитывают количество вспомогательных интервалов τ и из полученного числа вычитают 2^m.

Это обеспечивает формирование сигнала данных, обладающего следующими признаками:
длительность любого значащего интервала (длительность элемента сигнала) составляет целое число вспомогательных интервалов;
представляющим (информационным) параметром сигнала является длительность значащего интервала, при этом информация выражается количеством вспомогательных интервалов в значащем интервале за вычетом числа числа 2^m;
элементы сигнала данных следуют друг за другом без разделительных промежутков;
в сигнале используются только два уровня носителя: высокий и низкий, которые условно можно обозначить цифрами "0" и "1", при этом уровни не несут информации, но их смена в соответствующие моменты позволяет разграничивать значащие интервалы;
минимальная длительность элемента значащего интервала формируется в случае, если передается число нуль (значение m-символьного блока K_i = 0), и составляет T_iмин= τ2^m = t, т.е. минимальная длительность элемента не короче допустимой для данного канала;
максимальная длительность значащего интервала формируется в случае передачи максимального числа (максимальное значение m-символьного блока K₁ = 2^m - 1) и составляет
T_iмакс= τ(2^m+2^m-1) = 2t-τ,
т. е. максимальная длительность элемента не более 2t. Перечисленные признаки показывают, что сигнал данных соответствует двухуровневому изохронному сигналу, при этом вспомогательный интервал соответствует единичному интервалу. Интервал t остается минимальным, но утрачивает свойство единичного.

Такой сигнал, как и двоично кодированный, требует минимальных средств для формирования и обработки. Практически все операции над сигналом (за исключением усиления и регистрации элементов) могут быть произведены с помощью ЭВМ. С другой стороны сигнал удовлетворяет требованиям канала по скорости элементов, так как все элементы сигнала не короче допустимого интервала t. И, наконец, при прочих равных условиях, сигнал данных, сформированный по предлагаемому способу, передает информацию с большой скоростью за счет использования для ее кодирования более коротких временных отрезков - вспомогательных интервалов.

На чертеже (фиг. 1) представлена упрощенная структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ.

На чертеже (фиг. 2) представлена диаграмма преобразования двоичных символов в сигнал данных для передачи по каналу связи.

На чертеже (фиг. 3) представлена диаграмма преобразования сигнала данных в двоичные символы при приеме сигнала из канала связи.

Устройство (фиг. 1) содержит оконечное оборудование данных 1, включающее в себя ЭВМ 2, источник информации 3 (например клавиатуру) и приемник информации 4 (например принтер). Оконечное оборудование данных 1 связано с линейным оборудованием 5 через блок стыка 6, который обеспечивает взаимодействие ЭВМ и линейного оборудования, например по стандартному стыку. Линейное оборудование в передающей части содержит выходной усилитель 7, вход которого соединен с выходом блока стыка, а в приемной - последовательно соединенные усилитель 8, пороговое устройство 9 и регулирующее устройство 10, выход которого соединен с входом блока 6. Кроме того, устройство содержит блок синхронизации 11, выходы которого соединены с входами синхронизации блоков 6 и 10.

В целом устройство обеспечивает согласование ЭВМ с каналом связи. Для определенности допустим, что как и в УПС-ТГ, используется симметричный телеграфный канал, в котором при двухполюсных посылках напряжением U = 20 B, скорость передачи V не может превышать 200 бит/с, что соответствует длительности t единичного интервала и, соответственно, единичного элемента, не менее 5 мс.

Устройство работает следующим образом.

При передаче текст сообщения с помощью клавиатуры 3 (см. фиг. 1) вводят в ЭВМ 2. После необходимых преобразований под управлением программы, например после помехоустойчивого кодирования, текст в виде исходной последовательности двоичных символов (см. фиг. 2A) записывается в память ЭВМ. Затем, также под управлением программы, к каждым m символам исходной последовательности добавляют один старший разряд и записывают в него "1" (см. фиг. 2Б), что соответствует сложению числового значения K_i m-разрядного двоичного числа с числом 2^m. Образовавшиеся (m+1)-символьные блоки преобразуют в пакеты одинаковых двоичных символов (см. фиг. 2В), так, что пакеты, содержащие только "1", чередуются с пакетами, содержащими только "0", а количество двоичных символов в пакете устанавливают равным числовому значению соответствующего (m+1)-символьного блока, т. е. (2^m + K_i). Полученную последовательность двоичных символов (см. фиг. 2В) через блок стыка 6 выводят из ЭВМ синхронно тактовой последовательности импульсов (см. фиг. 2Г), вырабатываемой блоком синхронизации 11. Период следования тактовых импульсов устанавливают равным вспомогательному интервалу

Благодаря синхронному выводу чередующиеся пакеты двоичных символов на выходе блока 6 преобразуются в импульсный сигнал (см. фиг. 2Д), импульсы и паузы которого скомпанованы из элементов длительностью, равной τ (из вспомогательных элементов), аналогично сигналам двоичных данных, образованных из единичных элементов. Очевидно, длительность T_i элементов сигнала (импульсов и пауз) пропорциональна количеству двоичных символов в соответствующих пакетах двоичных символов и составляет
T_i= τ(2^m+K_i).
Сигнал, поступающий от блока 6, преобразуется усилителем 7 в двухполюсные посылки напряжением U (см. фиг. 2Е) и выводится в канал связи.

В следствии ограниченности полосы частот и потерь в канале связи импульсы, имеющие прямоугольную форму на выходе усилителя 7 (см. фиг. 3А), поступают на вход приемника ослабленными и с увеличенными фронтами. Однако, канал не изменяет длительности интервалов между одинаковыми фазами соседних импульсов (например между моментами перехода уровня сигнала через нуль), что позволяет восстановить прямоугольную форму импульсов, сохранив их длительность, представляющую информацию. Для этого после предварительного усиления усилителем 8 сигнал (фиг. 3Б) подают на пороговое устройство 9 с напряжением срабатывания и отпускания, равным нулю, и восстанавливают прямоугольную форму сигнала. Восстановленный сигнал (см. фиг. 3В) подается на устройство регистрации 10, которое методом стробирования входного сигнала импульсами синхронизации (см. фиг. 3Г), следующими с периодом τ, обеспечивает регистрацию вспомогательных элементов, аналогично регистрации единичных элементов при приеме двоичных данных. В результате работы регистрирующего устройства на его выходе формируется последовательность двоичных символов, сгруппированных в пакеты, причем пакеты, содержащие только "1", чередуются с пакетами, содержащими только "0" (см. фиг. 3Д). Последовательность двоичных символов через блок стыка 6 вводится в ЭВМ, которая под управлением программы в каждом пакете подсчитывает количество символов в двоичном коде. В соответствии со способом количество символов в пакете находится в пределах от 2^m до 2^m+1 - 1, поэтому в результате подсчета в памяти ЭВМ формируется последовательность (m+1) - разрядных двоичных чисел с обязательной "1" в старшем разряде (см. фиг. 3Е). Двоичное (m+1)-разрядное число представляет собой сумму переданного числа K_i и числа 2^m, поэтому для восстановления исходной последовательности двоичных символов из каждого (m+1)-разрядного числа вычитается число 2^m, что в данном случае соответствует простому отбрасыванию старшего разряда. Оставшиеся m-разряднеые блоки (фиг. 3Ж) образуют исходную последовательность двоичных символов, которая далее обрабатывается обычным образом вплоть до вывода сообщения получателю, например на принтер 4.

Приведенный пример показывает, что для осуществления способа не требуются какие-либо дополнительные технические средства, кроме широко используемых при передаче двоичных данных. Эта возможность обусловлена тем, что сигналы, используемые в соответствии со способом, формально полностью подобны двоично кодированным: сигналы имеют только два уровня, имеют также "единичный интервал" (и соответствующий "единичный элемент"), в качестве которого используется дополнительно введенный вспомогательный интервал. С другой стороны, каждый элемент канального сигнала, длительностью не более 2t, (как импульсы, так и паузы) переносит m бит информации, что по сравнению с двоично кодированными сигналами дает преимущество в скорости уже при m = 2. По сравнению с прототипом преимущество в скорости достигается при значении m, равном 5-6, при этом реализация предложенного способа значительно проще. Кроме того, предложенный способ не исключает возможности применения многоуровневой модуляции канальных сигналов, в этом случае может быть получен суммарный эффект.

Способ относится к технике электросвязи и может быть использован при передаче цифровой информации по каналам, преимущественно проводной связи, например в локальных вычислительных сетях. Техническая задача заключается в повышении скорости передачи данных при одновременном сокращении аппаратных средств. В способе передачи и приема цифровой информации для передаваемого сигнала устанавливают длительность единичного интервала времени t и на передающей стороне исходную последовательность двоичных символов разбивают на блоки по m символов в каждом, а на приемной стороне усиливают поступающий сигнал, дополнительно используют вспомогательный интервал времени, длительность τ которого определяют по формуле
где τ -длительность вспомогательного интервала,
t - длительность единичного интервала, равная минимальной длительности элементов сигнала в канале;
m - количество двоичных символов в m-символьном блоке,
в процессе формирования сигнала для передачи по каналу связи символьным блокам ставят в соответствие двухуровневые элементы сигнала так, чтобы перепад уровней разграничивал соседние элементы, при этом длительность элементов сигнала устанавливают в соответствии с числовым значением m-символьного блока по формуле
T_i= τ(2^m+K_i)
где i - порядковый номер m-символьного блока, равный = 1, 2, 3 ...;
T_i - длительность i - го элемента сигнала,
K_i - числовое значение i - го m-символьного блока, принимающее одно из возможных значений 0,1,2, ....(2^m - 1),
а при приеме после усиления восстанавливают прямоугольную форму элементов сигнала, в каждом из них в двоичном коде подсчитывают количество вспомогательных интервалов τ и из полученного числа вычитают 2^m. 3 ил.

Способ передачи и приема цифровой информации, в котором для передаваемого сигнала устанавливают длительность единичного интервала времени t и при передаче исходную последовательность двоичных символов разбивают на блоки по m символов в каждом, а на приемной стороне усиливают поступающий сигнал, отличающийся тем, что в нем дополнительно используют вспомогательный интервал времени, длительность τ которого определяют по формуле

где τ-длительность вспомогательного интервала;
t - длительность единичного интервала, равная минимальной длительности элементов сигнала в канале;
m - количество двоичных символов в m - символьном блоке,
в процессе формирования сигнала для передачи по каналу связи m-символьным блокам ставят в соответствие двухуровневые элементы сигнала так, чтобы перепад уровней разграничивая соседние элементы, при этом длительность элементов сигнала устанавливают в соответствии с числовым значением m-символьного блока по формуле
T_i=τ(2^m+K_i),
где i - порядковый номер m - символьного блока, i = 1,2,3,...;
T - длительность i-того элемента сигнала;
K_i - числовое значение i-того m-символьного блока, принимающее одно из возможных значений 0, 1, 2... (2^m - 1),
а при приеме после усиления восстанавливают прямоугольную форму элементов передаваемого сигнала, в каждом из них подсчитывают в двоичном коде количество вспомогательных интервалов τ и из полученного числа вычитают 2^m.