Ministerstwo Edukacji Federacji Rosyjskiej

Bijski Instytut Technologiczny (oddział)

Państwowy Uniwersytet Techniczny w Ałtaju

ich. I.I. Polzunova

Departament MSIA

Podsumowanie kursu:

„Podstawy projektowania urządzeń i systemów”

Odporność na zakłócenia urządzeń i systemów

Zakończony:

uczeń grupy IITT-02 Kulishkin M.A.

uczeń grupy IITT-02 Danilov A.V.

Kierownik:

Profesor nadzwyczajny Sypin E.V.

Bijsk – 2004

Strona

Wprowadzenie 3

Odporność na hałas 4

Odporność statyczna 4

Odporność na zakłócenia dynamiczne 5

Zastosowanie charakterystyki odporności na zakłócenia dynamiczne 8

Wniosek 10

Wstęp

Odporność na hałas- właściwość urządzenia lub systemu polegająca na odporności na zewnętrzne i wewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne, realizowana za pomocą metod projektowania obwodów, które nie naruszają wybranej struktury sygnału użytecznego oraz zasady projektowania urządzenia lub systemu.

Odporność na hałas- właściwość urządzenia lub systemu polegająca na odporności na zewnętrzne i wewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne, realizowana dzięki wybranej strukturze sygnału użytecznego oraz zasadzie konstrukcji urządzenia lub systemu.

Zatem określenie „ odporność na hałas„ma zastosowanie w większym stopniu do aspektów obwodów projektowania urządzeń lub systemów, a termin” odporność na hałas„do projektu urządzenia lub systemu jako całości, tj. odporność na zakłócenia jest głównym składnikiem odporności na zakłócenia.

Odporność na hałas

Odporność na zakłócenia urządzeń może być następujących typów:

1. Odporność na zakłócenia statyczne – pod wpływem stałego napięcia.

2. Odporność na hałas dynamiczny - na działanie hałasu pulsacyjnego o różnej postaci.

Odporność na zakłócenia statyczne

Wykres pokazuje szereg charakterystycznych poziomów napięcia:

U od tego czasu- poziom progowy przełączania mikroukładu. Po osiągnięciu mikroukład przechodzi z jednego stanu logicznego do drugiego;

U 0 st.pu- poziom odporności na zakłócenia statyczne w stosunku do poziomu 0;

U 1 st.pu- poziom odporności na zakłócenia statyczne w stosunku do poziomu 1.

Poziom progowy oblicza się na podstawie poziomów statycznych 0 i 1: U od tego czasu = 0,5 · (U 0 + U 1 ) .

Poziomy odporności na zakłócenia statyczne oblicza się w następujący sposób: U 0 st.pu = U od tego czasu - U 0 ; U 1 st.pu = U 1 - U od tego czasu .

Jak widać |U 0 st.pu | = |U 1 st.pu | = U st.pu .

Przykład:

Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa prędkość mikroukładu, tym niższa jego odporność na zakłócenia, zwłaszcza odporność dynamiczna.

Odporność na zakłócenia dynamiczne

W urządzeniach dominują głównie procesy dynamiczne związane ze zmianami prądów i napięć w czasie. Zmiany te indukują zmienne prądy i siły elektromotoryczne, postrzegane jako szum, w przewodnikach na płytkach i połączeniach płytka-płytka. Dlatego szum impulsowy jest bardziej typowy dla ES.

Charakterystyka odporności na zakłócenia dynamiczne graficznie opisuje zdolność układów scalonych do wytrzymywania szumu impulsowego dostającego się na wejście mikroukładów. Zakłócenia w tym przypadku są reprezentowane przez impulsy o dowolnym kształcie. Pomiary tej charakterystyki można przeprowadzić za pomocą układu, którego uproszczony obraz pokazano na (rysunek 2.11).

Generator sygnału to symulator szumu impulsu, który pozwala kontrolować parametry impulsu. Kształt impulsów powinien być jak najbardziej zbliżony do kształtu potencjalnych zakłóceń. Możliwe przybliżenia interferencji pokazano na rysunku.

Ryż. 3. Aproksymacja impulsu

Generowanie impulsów o kontrolowanych parametrach jest zadaniem bardzo trudnym. Z tego powodu w analizie odporności na zakłócenia główne zastosowanie zyskał impuls prostokątny, choć impulsy nr 2 - 4 mają postać bliższą kształtowi rzeczywistych zakłóceń. W przypadku stosowania impulsu prostokątnego jako impulsu testowego pojawia się problem badania układu scalonego o maksymalnej wydajności. W takim przypadku generator sygnału musi być zbudowany na elementach, których wydajność jest o rząd wielkości wyższa niż wydajność testowanego mikroukładu.

Zmiennymi tutaj są amplituda impulsu zakłócającego U P i czas trwania impulsu zakłócającego T P .

Możliwe jest prowadzenie eksperymentów obliczeniowych, co zmniejsza ograniczenia dotyczące kształtu i parametrów impulsów, ale wymaga odpowiedniego modelu badanego mikroukładu, co nie zawsze jest łatwe w realizacji.

Wskaźnik- najprostsze urządzenie bezinercyjne, na przykład dioda LED, która rejestruje zdarzenia przełączania układu scalonego.

Za zdobycie Charakterystyka odporności na zakłócenia dynamiczne przeprowadzić serię pomiarów, rejestrując stan wskaźnika, przypisując np. znak „+” zdarzeniu zadziałania mikroukładu, a znak „-” brakowi zadziałania. Przeprowadźmy 4 testy. Wyniki eksperymentu są następujące: w pierwszym i czwartym przypadku nie następuje żadna operacja, a w drugim i trzecim wskaźnik rejestruje zdarzenie działania układu scalonego: 1.„-”; 2. „+”; 3. „+”; 4."-". Wyniki eksperymentu odzwierciedlają się na wykresie we współrzędnych T P , U P. Punkty 1, 2, 3, ... mają współrzędne odpowiadające czasom trwania i amplitudom impulsów określonym przez generator.

Czas trwania zakłóceń jest krótszy T p.min Mikroukład działa stabilnie przy dowolnej amplitudzie szumu, ale czas ten jest krótki, co praktycznie eliminuje obecność takich zakłóceń. Jeżeli na wejściu mikroukładu występują bardzo krótkie impulsy zakłócające o znacznej amplitudzie, ich ładunek jest niewielki, kondensatory wejściowe nie mają czasu na ponowne naładowanie, a napięcie na wejściu mikroukładu nie przekracza dopuszczalnej wartości.

Zastosowanie charakterystyk odporności na zakłócenia dynamiczne

Charakterystyki odporności na zakłócenia dynamiczne są szeroko stosowane w projektowaniu systemów elektronicznych do oceny możliwego nieprawidłowego działania węzłów cyfrowych w obecności indukowane zakłócenia. Jako przykład rozważ linię komunikacyjną pokazaną na rysunku.

W tym zadaniu, analizując jakość funkcjonowania węzłów cyfrowych, należy określić niebezpieczeństwo narażenia na zakłócenia określonych parametrów. Więc:

W pierwszej kolejności szacuje się wzajemne parametry sprzężenia elektrycznego i magnetycznego (tj. M I Z M);

Wyznaczane są parametry zakłócające (U P ,T P ) w linii biernej;

Ocenia się ryzyko zakłóceń (U P ,T P ) zgodnie z charakterystyką odporności na zakłócenia dynamiczne.

Jeśli sprzęt jest opracowywany na określonej serii mikroukładów, wówczas charakterystyka uzyskana raz dla typowej bramki może mieć zastosowanie dla całej serii. Przy zmianie podstawy elementu należy ponownie uzyskać charakterystykę. Dokumentacja regulacyjna i techniczna musi zapewniać odporność na zakłócenia statyczne, a w większości przypadków - dynamiczne

Wniosek

Aby zwiększyć odporność urządzeń lub systemów na zakłócenia, specjalne środki podjęte na etapie projektowania i budowy (ekranowanie, uziemienie, racjonalny montaż itp.) przyczyniają się do powstawania skutków zakłóceń.

Odporność na hałas

Jest to zdolność systemu komunikacyjnego do przeciwstawienia się skutkom silnych zakłóceń. Odporność na zakłócenia obejmuje tajemnicę systemu komunikacji i jego odporność na zakłócenia, ponieważ aby wytworzyć potężne zakłócenia, należy najpierw wykryć system komunikacji i zmierzyć główne parametry jego sygnałów, a następnie zorganizować najpotężniejsze, najpotężniejsze zakłócenia . Im wyższa tajemnica i odporność na zakłócenia, tym wyższa odporność na zakłócenia systemu komunikacyjnego.

Odporność na zakłócenia ShSS

Wyznacza się ją znaną zależnością łączącą stosunek sygnału do szumu na wyjściu odbiornika (na wyjściu dopasowanego filtra lub korelatora) q2 ze stosunkiem sygnału do szumu na wejściu p2 odbiornika:

Odpowiednio

Stosunek sygnału do szumu na wyjściu q2 określa charakterystykę pracy odbioru NPS, a stosunek sygnału do szumu na wejściu p2 określa energię sygnału i szumu. Wartość q2 można uzyskać zgodnie z wymaganiami systemu (10...30 dB) nawet jeśli p2<<1. Для этого достаточно выбрать ШПС с необходимой базой B, удовлетворяющей (1.4). Как видно из соотношения (1.4), прием ШПС согласованным фильтром или коррелятором сопровождается усилением сигнала (или подавлением помехи) а 2B раз. Именно поэтому величину называют коэффициентом усиления ШПС при обработке или просто усилением обработки.

KSzPS = q2/p2

Z (1.4), (1.5) wynika, że ​​wzmocnienie przetwarzania KShPS = 2V. W BSS odbiór informacji charakteryzuje się stosunkiem sygnału do zakłóceń h2 = q2 /2, tj.

Rysunek 1.2 pokazuje zależności wzmocnienia przetwarzania i podstawy NPS B od stosunku sygnału do zakłóceń na wejściu p2 dB dla wartości q2 (linie ciągłe) i h2 (linie przerywane) równych 10, 20 i 30 dB, skonstruowane zgodnie z (1.4), (1.6 ).

Rysunek 1.2 - Zależność wzmocnienia przetwarzania i podstawy NPS od stosunku sygnału do zakłóceń na wyjściu odbiornika

Zależności (1.4), (1.6) mają fundamentalne znaczenie w teorii systemów komunikacyjnych z sieciami szerokopasmowymi. Otrzymano je dla zakłóceń w postaci szumu białego o jednolitej gęstości widmowej mocy w paśmie częstotliwości, którego szerokość jest równa szerokości widma NPS. Jednocześnie zależności te obowiązują dla szerokiego zakresu zakłóceń (wąskopasmowego, impulsowego, strukturalnego), co decyduje o ich zasadniczym znaczeniu. Ogólnie rzecz biorąc, wzmocnienie przetwarzania NPS pod kątem dowolnych zakłóceń:

gdzie stopień przybliżenia zależy zarówno od rodzaju zakłócenia, jak i od podstawy ShPS. Tabela 1.1 pokazuje wartości wzmocnienia przetwarzania dla niektórych zagranicznych systemów komunikacji i nawigacji.

Tabela 1.1 - Parametry systemów komunikacji z ShPS

W tabeli 1.1 wprowadzono następujące oznaczenia: FM – sygnał kluczowany z przesunięciem fazowym, FM – sygnał kluczowany z przesunięciem częstotliwości. Parametry podane w tabeli odpowiadają głównie systemom łączności z lat sześćdziesiątych (pierwsze cztery linie), a dopiero piąta linia pokazuje parametry współczesnego systemu GPS (Global Position System) – wielosatelitarnego systemu radionawigacji.

Rysunek 1.3 - Odporność na zakłócenia systemów łączności szerokopasmowej: FM i AM

Rysunek 1.3 przedstawia wykresy odporności na zakłócenia systemów komunikacyjnych z łączami szerokopasmowymi, modulacją częstotliwości (FM) i modulacją amplitudy (AM). Aby porównać FM i ShPS, bierze się pod uwagę te same pasma częstotliwości, co odpowiada B = 100. Odporność na zakłócenia systemu komunikacji z ShPS oblicza się zgodnie z (1.4) i zakłada się, że informacja jest przesyłana za pomocą modulacji szerokości impulsu (PWM). Wiadomo, że FM charakteryzuje się dużą odpornością na zakłócenia i zapewnia wysoką jakość odtwarzania informacji, pod warunkiem, że stosunek sygnału do zakłóceń na wejściu jest większy od wartości progowej p2thr = 10...15 dB. Gdy p2 spada poniżej wartości progowej, odporność na zakłócenia systemu komunikacji FM gwałtownie spada (rysunek 1.2). układ z AM i równoważną podstawą B=1 działa tylko przy p2 > 0 dB, zależność q2 od p2 jest liniowa. System komunikacji z ShPS zapewnia niezawodny odbiór informacji nawet na poziomie p2< 0 дБ. Например, если положить q2 = 10 дБ, то и система связи будет работать при отношении сигнал-помеха на входе -13 дБ, т.е. p2 = 0,05. Таким образом, одним из основных назначений систем связи с ШПС является обеспечение надёжного приема информации при воздействии мощных помех, когда отношение сигнал-помеха на входе приёмника p2 может быть много меньше единицы.

Należy jeszcze raz zaznaczyć, że powyższe zależności obowiązują ściśle dla interferencji w postaci losowego procesu Gaussa o jednolitej widmowej gęstości mocy.

Odporność na zakłócenia systemów przesyłowych KPI

SP KPI działa w warunkach zakłóceń. Ogólnie rzecz biorąc, skuteczność SP KPI należy oceniać, gdy wróg prowadzi wojnę elektroniczną (EW). Jednocześnie najważniejszym wskaźnikiem jakości działania SP KPI jest odporność na zakłócenia.

Odporność na hałas RES to zdolność do utrzymania sprawności w warunkach walki elektronicznej wroga.

Ogólnie rzecz biorąc, wojna elektroniczna obejmuje dwa następujące po sobie etapy - rozpoznanie radiowe i radiowe środki zaradcze. Celem rozpoznania radiowego jest ustalenie, czy radioelektronika działa na promieniowanie oraz określenie parametrów radioelektroniki niezbędnych do zorganizowania radiowego przeciwdziałania. Celem radiowych środków przeciwdziałania jest stworzenie warunków, które skomplikowałyby działanie systemu elektroniki radiowej lub nawet doprowadziłyby do niepowodzenia zadania. Główną metodą przeciwdziałania radiowym jest zagłuszanie. Zagłuszanie będzie tym skuteczniejsze, im więcej informacji o wyciszonej strefie elektronicznej zostanie zidentyfikowanych na etapie rozpoznania radiowego i wykorzystanych w organizowaniu radiowych przeciwdziałań.

Wynika z tego, że odporność na zakłócenia jako jakościowy wskaźnik funkcjonowania SP KPI zakłada zarówno prowadzenie przez przeciwnika rozpoznania radiowego (czyli uwzględnianie tajności pracy SP KPI), jak i utrzymywanie jakości pracy SP KPI. SP KPI na akceptowalnym poziomie przy narażeniu na zakłócenia (tj. odporność na zakłócenia).

Odporność na zakłócenia OZE zależy od właściwości technicznych OZE, wzajemnego położenia OZE oraz sprzętu rozpoznawczego i tłumiącego, taktyki wykorzystania OZE, czasu pracy itp. Połączenie tych cech i warunków ma charakter losowy, dlatego odporność na zakłócenia należy oceniać jako prawdopodobieństwo P realizacji zadań OZE w warunkach walki elektronicznej, określone zależnością

R pmz = 1 – R r R n

gdzie P r – prawdopodobieństwo rozpoznania parametrów OZE niezbędnych do zorganizowania przeciwdziałania radiowego;

R n – prawdopodobieństwo zakłócenia elektronicznego systemu dystrybucyjnego w wyniku radiolokacji.

Prawdopodobieństwo P p odzwierciedla ilościowo tajność RES to zdolność OZE do wytrzymywania działań rozpoznania radiowego, których celem jest wykrycie faktu pracy OZE i określenie parametrów sygnału niezbędnych do przeciwdziałania radiowego. W związku z tym za kryterium tajności można przyjąć wartość P sk = 1 – P r.

Prawdopodobieństwo P n zależy od zdolności OZE do wykonania zadania pod wpływem zakłóceń. Zatem jako kryterium odporności na zakłócenia można przyjąć wartość R pmu = 1 – R n. Kryterium to określa prawdopodobieństwo, że system wykona zadanie w warunkach zakłóceń radiowych.

Jeśli wróg nie dokona rozpoznania parametrów łącza radiowego, wówczas oczywiste jest, że zostanie ustawiony jedynie zapora dźwiękowa. Jeśli parametry łącza radiowego zostaną ustalone przez wroga w trakcie rozpoznania, wówczas najprawdopodobniej nastąpi celowe zagłuszanie. Zatem o odporności OZE na zakłócenia decyduje ich tajność i odporność na zakłócenia. Rozważmy indywidualne wskaźniki odporności na hałas.

Podstęp . Rozpoznanie radiowe z reguły polega na sekwencyjnej realizacji trzech głównych zadań: wykryciu faktu działania elektronicznych urządzeń elektronicznych (wykrywanie sygnału), określeniu struktury wykrytego sygnału (w oparciu o określenie szeregu jego parametrów) oraz ujawnieniu informacja zawarta (przekazana) w sygnale. To ostatnie zadanie ma czasem niezależne znaczenie (jest jednym z celów ostatecznych). Ogólnie rzecz biorąc, ujawnienie znaczenia przesyłanych informacji umożliwia zorganizowanie skuteczniejszego tłumienia radiowego.

Wymienione zadania rozpoznania radiowego można skontrastować z trzema rodzajami tajemnicy elektronicznych systemów elektroenergetycznych: energetyczną, konstrukcyjną i informacyjną.

Tajemnica energetyczna charakteryzuje zdolność do wytrzymywania działań mających na celu wykrycie sygnału przez rozpoznawcze urządzenie odbiorcze. Aby zapewnić tajemnicę energetyczną, należy dobrać taką moc promieniowania nadajnika i takie widmo promieniowania, przy którym moc sygnału na wejściu odbiornika rozpoznawczego będzie mniejsza od jego rzeczywistej czułości. Aby zapewnić tajemnicę energetyczną, można zastosować sygnały szerokopasmowe, ponieważ przy małej gęstości widmowej i stosunkowo wąskim paśmie odbiornika rozpoznawczego energia odebranego sygnału rozpoznawczego będzie niewielka. Wykrycie sygnału przez odbiornik rozpoznawczy następuje w warunkach zakłóceń (szumów) i może towarzyszyć dwóm rodzajom błędów: pominięciu sygnału, gdy jest on obecny na wejściu oraz fałszywemu wykryciu (fałszywemu alarmowi) w przypadku braku sygnału . Błędy te mają charakter probabilistyczny. Ilościową miarą tajemnicy energetycznej może być prawdopodobieństwo prawidłowego wykrycia P obn (dla danego prawdopodobieństwa fałszywego alarmu P lt) , które z kolei zależą od stosunku sygnału do zakłóceń w łączu radiowym i reguł decyzyjnych dotyczących wykrywania sygnału.

Tajemnica strukturalna charakteryzuje odporność na środki wywiadu radiowego mające na celu ujawnienie sygnału. Oznacza to rozpoznanie kształtu sygnału wyznaczonego metodami jego kodowania i modulacji, czyli utożsamienie wykrytego sygnału z jednym z wielu znanych a priori sygnałów. Tajemnicę strukturalną zapewnia się poprzez wykorzystanie sygnałów, których złożona budowa utrudnia przeciwnikowi rozpoznanie. Takimi sygnałami mogą być sygnały oparte na sekwencjach pseudolosowych o długim czasie trwania, sygnały o złożonej modulacji itp. Stosowanie sygnałów złożonych stawia przed systemem szczególne wymagania w zakresie dokładności synchronizacji strony odbiorczej i nadawczej. Aby zwiększyć tajemnicę strukturalną, konieczne jest stosowanie jak największego zestawu sygnałów i częsta zmiana kształtu sygnałów. Zadanie określenia struktury sygnału ma także charakter statystyczny, a ilościową miarą tajemnicy strukturalnej może być prawdopodobieństwo ujawnienia struktury sygnału P str, pod warunkiem wykrycia sygnału. Zatem P str jest prawdopodobieństwem warunkowym.

Tajemnica informacji określana jest przez zdolność przeciwstawienia się działaniom mającym na celu ujawnienie znaczenia informacji przekazywanych za pomocą sygnałów. Ujawnienie znaczenia przesyłanej informacji oznacza identyfikację każdego odebranego sygnału lub ich kombinacji z przekazywanym komunikatem. Problem ten rozwiązuje się identyfikując szereg cech sygnału, np. miejsce danego sygnału w zbiorze odbieranych sygnałów, częstotliwość jego występowania, związek pomiędzy czynnikami pojawiania się danego sygnału a zmiana stanu kontrolowanego obiektu itp. Obecność niepewności apriorycznych i a posteriori czyni ten problem probabilistycznym, a jako ilościową miarę tajności informacji przyjmuje się prawdopodobieństwo ujawnienia znaczenia przekazywanej informacji P inf, pod warunkiem, że sygnał zostanie wykryty i wyizolowany (tj. ujawniona zostanie jego struktura). Dlatego P inf jest również prawdopodobieństwem warunkowym.

Stealth zależy od prawdopodobieństwa rozpoznania sygnału RES . Często zadanie ujawnienia znaczenia przesyłanej informacji nie jest ustawione, a wtedy możliwe jest przyjęcie strony P inf = 1 i P p = P obn P. W niektórych przypadkach, aby zorganizować radiowe środki zaradcze, wystarczy wykryć sygnał tłumionego OZE. W tym przypadku P r utożsamia się z P obn. Tajemnica energetyczna i konstrukcyjna to najważniejsze cechy OZE, z którymi spotykają się zarówno inżynierowie projektujący urządzenia radiowe, jak i inżynierowie je obsługujący.

Zatem tajność SP KPI jest zapewniona poprzez uwzględnienie rzeczywistych warunków działania oraz połączenie środków technicznych i organizacyjnych.

Kryterium oceny odporność na hałas SP KPI to prawdopodobieństwo błędu P osh podczas dekodowania kombinacji kodów, która jest zakodowanym RK lub oddzielnym słowem VP. Wartość tego prawdopodobieństwa P osh zależy z kolei od prawdopodobieństwa zniekształcenia elementarnego symbolu (bitu) kombinacji kodowej p e i dla kodowania nieredundantnego

Rosz = 1 – (1 – re) N

Gdzie P - liczba bitów kombinacji kodu.

Zazwyczaj w przypadku systemów bliskiej przestrzeni kosmicznej wymagane jest zapewnienie, że prawdopodobieństwo zniekształcenia komunikatu (słowa programu sterującego lub polecenia) nie przekracza 10 -8 - 10 -10. Prawdopodobieństwo zniekształcenia elementarnego symbolu (elementu) komunikatu dla systemów bliskiej przestrzeni kosmicznej mieści się zwykle w przedziale 10 -3 - 10 -6. Zatem prawdopodobieństwo zniekształcenia komunikatu prezentowanego w SP KPI w postaci kombinacji kodów powinno być o kilka rzędów wielkości mniejsze niż prawdopodobieństwo zniekształcenia symboli tego komunikatu. Przesądza to o zasadniczej konieczności zastosowania w SP KPI specjalnych działań w celu zwiększenia wiarygodności przekazywanych komunikatów.

Termin „szum” odnosi się do różnego rodzaju zakłóceń, które zniekształcają przesyłany sygnał i prowadzą do utraty informacji.

Techniczne przyczyny zakłóceń:

Zła jakość linii komunikacyjnych;

Niepewność różnych strumieni informacji przesyłanych od siebie tymi samymi kanałami.

Obecność hałasu prowadzi do utraty informacji.

Shannon opracowała specjalną wersję teoria kodowania, podanie metod zwalczania hałasu. Jedną z najważniejszych idei tej teorii jest to, że kod przesyłany linią komunikacyjną musi być zbędny.

Redundancja kodu – Jest to wielokrotne powtarzanie przesyłanych danych.

Redundancja kodu nie może być zbyt duża. Doprowadzi to do opóźnień i wyższych kosztów komunikacji.

Teoria kodowania pozwala nam uzyskać kod, który będzie optymalny: będzie redundancja przesyłanych informacji minimalne możliwe, A niezawodność otrzymana informacja – maksymalny.

Wcześniej zauważono, że podczas przesyłania wiadomości kanałami komunikacyjnymi mogą wystąpić zakłócenia, które mogą prowadzić do zniekształcenia odbieranych znaków. Jeśli więc na przykład spróbujesz przesłać wiadomość głosową przy wietrznej pogodzie do osoby znajdującej się w znacznej odległości od Ciebie, wiadomość głosowa może zostać znacznie zniekształcona przez zakłócenia, takie jak wiatr. Ogólnie rzecz biorąc, transmisja komunikatu w obecności zakłóceń stanowi poważny problem teoretyczny i praktyczny. Jego znaczenie wzrasta w związku z powszechnym wprowadzeniem telekomunikacji komputerowej, w której zakłócenia są nieuniknione. Podczas pracy z zakodowaną informacją zniekształconą przez zakłócenia można zidentyfikować następujące główne problemy: ustalenie samego faktu wystąpienia zniekształcenia informacji; dowiedzieć się dokładnie, gdzie w przesyłanym tekście to się wydarzyło; naprawienie błędu, przynajmniej z pewnym stopniem pewności.

Ingerencja w przekazywanie informacji jest dość powszechna we wszystkich obszarach aktywności zawodowej i życia codziennego. Jeden z przykładów podano powyżej, inne przykłady to rozmowa przez telefon, którego słuchawka „trzeszczy”, jazda samochodem we mgle itp. Najczęściej osoba całkowicie radzi sobie z każdym z powyższych zadań, chociaż nie zawsze jest świadoma tego, jak to robi (czyli nie algorytmicznie, ale w oparciu o pewne powiązania skojarzeniowe). Wiadomo, że język naturalny ma duże możliwości nadmierność(w językach europejskich – do 7%), co wyjaśnia większą odporność na zakłócenia komunikatów składających się ze znaków z alfabetów tych języków. Przykładem ilustrującym odporność języka rosyjskiego na zakłócenia jest zdanie „in słowacki vso glosnoo zomonono bokvoy o”. Tutaj 26% znaków jest „dotkniętych”, ale nie prowadzi to do utraty znaczenia. Zatem redundancja jest w tym przypadku użyteczną właściwością.

Redundancję można również zastosować przy przesyłaniu zakodowanych wiadomości w systemach technicznych. Przykładowo każdy fragment tekstu („zdanie”) przesyłany jest trzykrotnie, a za poprawną uważa się parę fragmentów, które całkowicie się pokrywają. Jednakże wysoka redundancja powoduje, że przesyłanie informacji zajmuje dużo czasu i wymaga dużej ilości pamięci do ich przechowywania. Pierwsze teoretyczne badanie efektywnego kodowania podjął K. Shannon.

Pierwsze twierdzenie Shannon deklaruje możliwość stworzenia systemu wydajnego kodowania komunikatów dyskretnych, w którym średnia liczba symboli binarnych przypadających na symbol komunikatu asymptotycznie dąży do entropii źródła komunikatu (przy braku zakłóceń). Problem wydajnego kodowania opisuje triada:

X = (X 4I) - urządzenie kodujące - W.

Tutaj X, B - odpowiednio alfabet wejściowy i wyjściowy. Pod tłumem x ja Możesz zrozumieć dowolne znaki (litery, słowa, zdania). W - zbiór, którego liczba elementów w przypadku kodowania znaków z liczbami jest określona przez podstawę systemu liczbowego (np. T= 2). Koder dopasowuje każdą wiadomość x ja z X kombinacja kodów złożona z n ja zestaw znaków W. Ograniczeniem tego zadania jest brak zakłóceń. Należy oszacować minimalną średnią długość kombinacji kodowej.

Aby rozwiązać ten problem, należy znać prawdopodobieństwo Liczba Pi pojawia się komunikat x ja, co odpowiada określonej liczbie znaków n ja alfabet W. Następnie matematyczne oczekiwanie na liczbę znaków z W zostanie ustalona w następujący sposób:

n c r = p i P ja(Średnia wartość).

To średnia liczba znaków alfabetu W odpowiada maksymalnej entropii Ntax = Nśredni dziennik T. Aby zapewnić transmisję informacji zawartych w wiadomościach X kombinacje kodów z W, musi być spełniony warunek H4max ≥ H(x), Lub p.s dziennik T≥- Liczba Pi dziennik R ja. W tym przypadku zakodowana wiadomość ma redundancję p.s≥H(x)/ dziennik t, rz min = H(x)/ dziennik T.

Współczynnik redundancji

DO ty = ( H maks. – H(X)) / H maks. = ( N cp – N min) / N por

Zapiszmy te wartości w formie tabeli. 1.8. Mamy:

N min = H(X)/dziennik 2 = 2,85, K ty = (2,92 - 2,85) / 2,92 = 0,024,

te. kod praktycznie nie ma redundancji. Można zauważyć, że średnia liczba symboli binarnych dąży do entropii źródła wiadomości.

Tabela 3.1 Przykład pierwszego twierdzenia Shannona

N	Рх i	x ja	Kod	n ja	nie ja - ∙ Liczba Pi	Рх i∙ log Рх i
	0,19	X 1			0,38	-4,5522
	0,16	X2			0,48	-4,2301
	0.16	X 3			0,48	-4,2301
	0,15	X 4			0,45	-4,1054
	0,12	X 5			0,36	-3,6706
	0,11	X 6			0,33	- 3,5028
	0,09	X 7			0,36	-3,1265
	0,02	X 8			0,08	-3,1288
	Σ=1	Σ=2,92	Σ=2,85

Drugie twierdzenie Shannona stwierdza, że ​​w przypadku zakłóceń w kanale zawsze można znaleźć system kodowania, w którym komunikaty będą przesyłane z określoną niezawodnością. Jeśli istnieje ograniczenie, pojemność kanału musi przekraczać pojemność źródła komunikatu.

Zatem drugie twierdzenie Shannona ustanawia zasady kodowania z korekcją błędów. W przypadku kanału dyskretnego z szumem twierdzenie stwierdza, że ​​jeśli szybkość tworzenia komunikatu jest mniejsza lub równa przepustowości kanału, to istnieje kod zapewniający transmisję z dowolną stopą błędu.

Dowód twierdzenia opiera się na następującym rozumowaniu. Na początek kolejność X = (xi) zakodowane znakami z W tak, aby osiągnąć maksymalną przepustowość (kanał nie ma zakłóceń). Następnie w sekwencji W długość P wprowadzony R symbole i nową sekwencję n + r postacie. Liczba możliwych ciągów długości i + T większa niż liczba możliwych ciągów długości P. Zbiór wszystkich ciągów długości P + R można podzielić na P podzbiory, z których każdy jest powiązany z jednym z ciągów długości P. Jeśli występuje interferencja w sekwencji P + R usuwa go z odpowiedniego podzbioru z dowolnie małym prawdopodobieństwem.

Umożliwia to określenie po stronie odbiorczej kanału, do którego podzbioru należy odebrana sekwencja długości, zniekształcona przez zakłócenia, n + r, i w ten sposób przywrócić pierwotną sekwencję długości P.

Twierdzenie to nie podaje konkretnej metody konstruowania kodu, ale wskazuje granice tego, co można osiągnąć w tworzeniu kodów odpornych na błędy i stymuluje poszukiwanie nowych sposobów rozwiązania tego problemu.

Radziecki naukowiec wniósł wielki wkład w naukową teorię komunikacji Władimir Aleksandrowicz Kotelnikow(1940-1950 XX wiek). W nowoczesnych systemach komunikacji cyfrowej, aby przeciwdziałać utracie informacji podczas transmisji:

Całość wiadomości podzielona jest na części – bloki;

Dla każdego bloku obliczana jest suma kontrolna (suma cyfr binarnych), która jest przesyłana wraz z tym blokiem;

W miejscu odbiorczym suma kontrolna odebranego bloku jest przeliczana; jeśli nie pokrywa się z pierwotną, transmisja jest powtarzana.

Tabela 3.2. Model Claude'a Shannona dotyczący przekazywania informacji w systemach komunikacji technicznej

Dodatkowa literatura:

№	Temat lekcji	Literatura
	Informacja jako jedność nauki i technologii.	Mohylew „Informatyka”
	Społeczne aspekty informatyki.	„Socjokulturowe aspekty hakowania” (na podstawie materiałów z Wikipedii, wolnej encyklopedii elektronicznej)
	Prawne aspekty informatyki.	„Prawne aspekty informatyki” (na podstawie materiałów ze strony „Informatyka na 5”) http://www.5byte.ru/referat/zakon.php
	Informacja i świat fizyczny. Informacja i społeczeństwo.	„Wprowadzenie do informatyki” z podręcznika N. Ugrinowicza „Informatyka i technologie informacyjne” s. 12-17
	Informatyzacja społeczeństwa.	Na podstawie materiałów z magazynu elektronicznego „PC World” http://schools.keldysh.ru/sch444/MUSEUM/pres/cw-01-2000.htm
	Telekomunikacja w Baszkortostanie	Portal „Republika Baszkortostanu” - sekcja telekomunikacja http://bashkortostan.rf/potential/telecommunications/
	Bezpieczeństwo informacyjne społeczeństwa i jednostki.	„Bezpieczeństwo informacji jednostki, społeczeństwa, państwa” (na podstawie materiałów z e-booka V.A. Kopylova „Prawo informacyjne”, rozdz. 10-11) http://www.i-u.ru/biblio/archive/kopilov_iform/04 .aspx
	Temat 2.1. Różne poziomy pomysłów na temat informacji. Znaczenia terminu w różnych dziedzinach wiedzy.	„Semantyczne podejście do definiowania informacji” (materiały z Wikipedii – wolnej encyklopedii elektronicznej, dział „Informacja w społeczeństwie ludzkim”) http://ru.wikipedia.org/wiki/%C8%ED%F4%EE%F0%EC %E0 %F6%E8%FF