Определение оптимальных в соответствии с заданными критериями характеристик корректирующего кода и разработка кодирующего устройства выбранного кода

3.2 Анализ каналов связи, применяемых для передачи данных

Основным способом повышения верности передачи дискретных сообщений является введение в передаваемую последовательность избыточности с целью обнаружения и исправления ошибок в принятой информации. Все устройства защиты от ошибок (УЗО) делятся на две группы: симплексные (без обратной связи) и дуплексные (с обратной связью) [27].

В симплексных УЗО повышение верности передачи может быть достигнуто тремя способами: путем многократного повторения символов; одновременной передачей одной и той же информации по нескольким каналам; применением кодов исправляющих ошибки.

К дуплексной группе УЗО относятся устройства, в которых повышение верности передаваемой информации достигается за счет введения обратной связи. Они в свою очередь делятся на системы с решающей (РОС), информационной (ИОС) и комбинированной (КОС) обратной связью. Сущность повышения верности в этих системах состоит в том, что при обнаружении искажений в передаваемом сообщении происходит запрос блока, в котором находятся один или несколько неправильно принятых знака. В системах с РОС передаваемые данные кодируются избыточными кодами, позволяющими обнаруживать одиночные ошибки или пачки (группы) ошибок. Решение о необходимости повторения блока информации, в котором обнаружена ошибка, принимается приемником на основании анализа поступившей последовательности. В случае обнаружения в принятом блоке ошибок он стирается и по каналу обратной связи (ОС) приемная станция посылает сигнал «Запрос», на основании которого передатчик повторно выдает этот же блок. При безошибочном приеме блока данные поступают потребителю, а по каналу ОС передается сигнал «Подтверждение».

Одной из главных задач проектирования УЗО является выбор способа защиты от ошибок, который при минимальных затратах обеспечит выполнение поставленных требований. Под затратами подразумевается не только стоимость аппаратуры, но и необходимые полоса частот (требуемое число каналов связи), время на передачу сообщения, а также стоимость обслуживания устройства в процессе эксплуатации.

3.3 Каналы передачи данных с обратной связью

Системами передачи дискретной информации с обратной связью называются системы, в которых передатчик с приемником соединены прямым и обратным каналами связи и передатчик при вводе избыточности использует информацию о состоянии прямого канала, получаемую по каналу обратной связи. Классифицируются системы с обратной связью по следующим признакам.

По назначению канала обратной связи различают:

1. Системы с решающей обратной связью (РОС), в которых приемник по сигналу, соответствующему комбинаций из п элементов, принимает окончательное решение на выдачу комбинации в приемник информации ПИ или на ее стирание и переспрос.

2. Системы с информационной обратной связью (ИОС), в которых канал обратной связи используется для передачи информации о принятой комбинации или о состоянии канала связи.

3. Системы с комбинированной обратной связью, в которых решение о повторной передаче или выдаче комбинаций в ПИ может приниматься и в приемнике и в передатчике системы, а канал обратной связи используется как для передачи решений, принятых приемником системы, так и для передачи информации о принятой комбинации или состоянии канала связи.

Системы с обратной связью также делятся на системы с ограниченным числом повторений (в системах РОС более распространено название «системы с ограниченным переспросом») и с неограниченным числом повторений. В системах с ограниченным числом повторений каждая комбинация может повторяться не более r раз, а в системах с неограниченным числом до тех пор пока не будет принято решение о выдаче этой комбинации в приемник информации.

Системы с обратной связью, в которых используется информация, содержащаяся в забракованных комбинациях, называются системами с памятью. Если же забракованные комбинации отбрасываются, то системы называются системами без памяти.

По способу функционирования (алгоритму работы) системы РОС делятся на следующие классы:

1. Системы с ожиданием сигнала обратной связи (РОС-ОЖ). Основная особенность этих систем состоит в том, что передатчик, передав п - элементную кодовую комбинацию, или ожидает сигнал обратной связи или повторяет ранее переданную комбинацию. Следующую комбинацию он может передавать лишь после приема сигнала подтверждения по ранее переданной комбинации.

2. Системы с накоплением правильно принятых комбинаций (РОС-НК). В этих системах h комбинаций корректирующего кода объединены в подблок, а i таких одинаковых подблоков составляют единый блок, передаваемый одновременно передатчиком системы. Следовательно, каждая комбинация передается i раз с разносом во времени, определяемом числом h.

3. Системы с адресным переспросом (РОС-АП). Эти системы во многом аналогичны системам с накоплением, но в отличие от последних приемник формирует и передает сложный сигнал переспроса, в котором указываются условные номера (адреса) непринятых приемником комбинаций блока. В соответствии с этим сигналом передатчик повторяет не весь блок, как в системе с накоплением, а лишь непринятые комбинации.

4. Системы с адресным переспросом и переходом в режим накопления при большом числе неправильно принятых комбинации в блоке (РОС-АПнк).

5. Системы с последовательной передачей кодовых комбинаций (РОС-ПП). Данные системы характеризуются тем, что их передатчик передает непрерывную последовательность комбинаций, причем очередные комбинации передаются в канал при отсутствии сигналов обратной связи по h предшествующим комбинациям

6. Системы с многоступенчатым переспросом (РОС - МП). В этих системах предусматривается как переспрос комбинаций, так и переспрос блоков комбинаций, т.е. имеются несколько ступеней переспроса.

7. Системы, использующие для передачи информации несколько параллельных каналов (РОС-ПК).

3.4 Основные параметры систем с обратной связью

Для оценки систем с обратной связью используют следующие параметры [17]:

1. Вероятности трансформации переданной k-элементной комбинации в другую комбинацию входного множества Р_ошс(k) (вероятность ошибочного приема комбинации) и в сигнал стирания Р_стс(k). В системах с одинаковыми входным и выходным алфавитами Р_стс(k) = 0. Вероятностью Р_ошс(k) оценивается достоверность, обеспечиваемая системой с обратной связью.

2. Время задержки, которое в системах с обратной связью является случайной величиной. Поэтому для оценки системы, с точки зрения задержки информации, используют функцию распределения времени задержки Fl(t), равную вероятности задержки сообщения из l двоичных элементов на время, меньше t, т.е.

Fl (t) = Р { t(l) < t }.

3. Скорость передачи. В системах с обратной связью число символов, поступающих на вход системы в единицу времени, меняется в зависимости от состояния канала связи, поэтому различают текущую и среднюю скорости передачи.

Текущая абсолютная скорость передачи R_aбст есть отношение числа двоичных символов Н(t), поступивших на вход системы от ДИ (выданных с выхода системы в ПИ) за время t, ко времени t:

R_aбcт = H (t) / t.(3.1)

Средняя абсолютная скорость передачи R_aбc есть величина, к которой сходится по вероятности R_aбcт при достаточно больших t.

Текущая относительная скорость передачи R_т есть отношение R_aбcт к скорости телеграфирования (скорости модуляции) V в бодах:

R_т = R_aбcт / V = Н (t) / Vt(3.2)

Средняя относительная скорость передачи R (или просто скорость передачи) есть величина, к которой сходится по вероятности R_т при достаточно больших t. Скорость передачи R характеризует эффективность использования системой канала связи прямого направления.

4. Коэффициент использования каналов связи R_эфф. Этот параметр необходим для оценки эффективности использования каналов связи как прямого, так и обратного направлений. Если информация передается только в одном направлении и V1 - скорость телеграфирования в данном направлении, a V2 - скорость телеграфирования в канале обратной связи, то

(3.3)

Если же каналы связи обоих направлений одновременно используются для передачи информации соответственно со скоростями R1 и R2, то

(3.4)

5. Вероятности вставок и выпадений кодовых комбинаций. Из-за воздействия помех в канале обратной связи сигналы обратной связи могут искажаться. Это приводит к тому, что некоторые комбинации, выданные ДИ, вообще не попадут в ПИ, а некоторые комбинации могут быть выданы в ПИ дважды, трижды и т.д. Эти события, которые могут иметь место в любой системе с обратной связью, называются выпадениями и вставками комбинаций. Они ведут к сдвигам комбинаций в выходной последовательности по отношению к комбинациям входной последовательности. Для потребителей информации эти сдвиги не равноценны ошибкам, связанным с ошибочным приемом двоичных символов. Поэтому вероятности выпадений Р_вып и вставок Р_вст комбинаций определяются отдельно и являются важными параметрами систем с обратной связью.

3.5 Критерии, определяющие выбор корректирующего кода

Как известно, для повышения помехозащищенности кода требуется увеличивать избыточность. Но увеличение избыточности приводит к уменьшению производительности системы, так как значительно возрастает число элементов в кодовых комбинациях. Поэтому выбор кода с определенными корректирующими возможностями и, следовательно, с определенной избыточностью, должен быть всегда строго обоснован, исходя из характера распределения ошибок в канале, связи и получения необходимой верности принимаемой информации [18].

Задача построения избыточного кода сводится к выбору из N_n = 2ⁿ кодовых комбинаций таких N_k-разрядных кодовых комбинаций N_k = 2^k = 2^n-r, для которых обеспечивается заданное кодовое расстояние d_o. Здесь r - число проверочных разрядов в кодовой комбинации. Существующие методы построения избыточных кодов решают в основном нахождение такого алгоритма кодирования и декодирования, который позволял бы наиболее просто построить и реализовать код с заданным значением d_o. Поэтому различные избыточные коды при одинаковых d_o сравнивают по сложности кодирующего и декодирующего устройств. Этот критерий является определяющим при выборе того или иного кода. Только при таком подходе можно выбрать код с минимальной, избыточностью и тем самым при обеспечении заданной верности получить наибольшую производительность системы или скорость передачи информации.

Корректирующий код для систем передачи дискретной информации должен удовлетворять следующим двум требованиям:

- вероятность необнаружения ошибок Р_ошс (? 1,l) в кодовой комбинации должна быть не больше заданной;

- скорость передачи R должна быть возможно большей.

Эти два требования являются противоречивыми, так как уменьшение вероятности необнаружения ошибки при заданной длине кода достигается увеличением избыточности, т.е. за счет уменьшения скорости передачи. Это противоречие можно разрешить путем выбора достаточно длинных кодов. Однако, длинные коды, в свою очередь, влекут за собой некоторое усложнение аппаратуры передачи и приема.

Поэтому при выборе корректирующего кода используется критерий максимума скорости передачи. По этому критерию оптимальным считается корректирующий код, применение которого в системе с решающей обратной связью обеспечивает заданные требования по достоверности и максимальное значение скорости передачи системы.

3.6 Выбор корректирующего кода для системы передачи данных РОС

При известных значениях параметров канала связи Р (вероятность искажения элемента в заданном канале связи) и (коэффициент группирования ошибок в этом же канале) величины Р_ошс (? 1,l) и R будут функциями аргументов п и k. В соответствии с критериями максимума скорости передачи оптимальными значениями п и k будут такие значения, при которых: Р_ошс (? 1,l) ? P_доп (? 1,l) и R = R_max, где P_доп (? 1,l) - допустимое значение вероятности ошибочного приёма l-элементной комбинации первичного кода; Р_ошс (? 1,l) - значение вероятности ошибочного приема комбинации первичного кода, получаемое при использовании в системе с РОС корректирующего кода.

В общем случае длина первичного l-элементного кода может быть не равна числу информационных элементов в кодовой комбинации корректирующего кода (l ? k). Поэтому возникает необходимость в расчете вероятности появления l-элементной комбинации первичного кода с ошибкой Р_ошс(? 1,l) на выходе системы по известной величине вероятности появления с ошибкой кодовой комбинации на выходе системы при использовании корректирующего кода Р_ошс(k).

Так для системы РОС используется формула (3.5)

(3.5)

где n - длина кодовой комбинации циклического кода; k - число информационных элементов в кодовой комбинации циклического кода; - коэффициент группирования ошибок в канале; Р - вероятность искажения элементов в канале; l - длина первичного кода.

Выбор корректирующего кода, оптимального в смысле критерия максимума скорости передачи, производится в следующем порядке:

1. Выбирается класс корректирующего кода. В соответствие с заданием на дипломный проект используются циклические коды.

2. По формуле (3.5) рассчитываются вероятности P_ошс(k) для циклических кодов с различными п и k. При этом п определяется из выражения при т = 4, 5, 6, 7, 8, 9. Значения k следует взять от k = n до n-15 с шагом, равным 1. Результаты расчета сводятся в таблицы.

По результатам расчетов строятся графики Р_ошс(k) =f(k,n). Значения Р_ошс(k) рекомендуется откладывать по оси ординат в логарифмическом масштабе, а значения k/n по оси абсцисс в линейном масштабе. На этом же графике наносится заданное значение допустимой вероятности P_доп (? 1,l).

3. По построенным в результате расчетов графикам выбираются коды, обеспечивающие выполнения условия Р_ошс(k) ? P_доп(? 1,l) и имеющие максимальные значения k/n для каждого п. Точки пересечения P_доп (? 1,l) на графике с расчетными значениями Р_ошс(k) для каждого n определяют максимальные значения k/n, при которых обеспечивается P_доп(? 1,l)

Эти значения п и k рекомендуется свести в таблицу.

4. Для каждого выбранного кода рассчитывается скорость передачи R по формуле (3.6):

,(3.6)

где t_ож - время ожидания, определяемое по формуле (3.7):

(3.7)

t_p - время распространения сигнала по прямому каналу связи ,

L - протяженность канала связи между передающей и приемной станциями; Vc - скорость распространения электромагнитной энергии в каналах связи. Для радио и радиорелейных каналов связи Vс = 310⁵ км/с,

t_c - время формирования и передачи по обратному каналу связи сигнала подтверждения правильности приема комбинации или сигнала переспроса комбинации, , ;

В - скорость передачи информации;

t_аз - время анализа принятой информации и принятия решения на ее выдачу в приемник информации или на стирание и переспрос;

t_ас - время приема сигнала подтверждения правильности приема или переспроса по обратному каналу связи и его анализа.

Исходя из существующих скоростей работы узлов системы с РОС и элементной базы, на практике обычно считают, что

,.

Полученные результаты расчета R представляются в виде таблицы и строится график зависимости R = f(n). По графику определяется значение оптимальной длины кода n_опт, при котором R = R_max. По значению n_опт определяют и k_опт.

Может оказаться, что по графику скорость, близкая к максимальной, обеспечивается циклическим кодом с различными значениями n. В этом случае определение оптимального значение n_опт происходит с учетом экономичности и надежности проектируемой системы.

Проведем необходимые расчеты со следующими исходными данными:

1. Тип канала связи - радиорелейный, Р = 2,6610^-4.

2. Показатель группирования ошибок = 0,606.

3. Скорость телеграфирования В = 1200 бит/с.

4. Допустимая вероятность ошибки P_доп (? 1,l) = 110^-7.

5. Длина первичного кода l=7.

6. Протяженность канала связи между передающей и приемной станциями L=50 км.

Рассчитаем P_ошс(k) для значений n = 15, 31, 63, 127, 255 и k = n до n-15 с шагом, равным 1. Результаты расчета представлены в таблице 3.1.

График зависимости P_ошс(k) = f(k,n) представлен на рисунке 3.1.

Таблица 3.1 - Результаты расчета вероятности P_ошс(k)

n	15
k	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1
k/n	1	0.933	0.867	0.8	0.733	0.667	0.6	0.533	0.467	0.4	0.333	0.267	0.2	0.133	0.067
Pошс(k)	5.710-4	2.910-4	1.410-4	7.210-5	3.610-5	1.810-5	910-6	4.510-6	2.210-6	1.110-6	5.610-7	2.810-7	1.410-7	710-8	3.510-8
n	31
k	31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17
k/n	1	0.968	0.835	0.903	0.871	0.839	0.806	0.774	0.742	0.71	0.677	0.645	0.613	0.581	0.548
Pошс(k)	5.7110-4	2.9210-4	1.3910-4	7.2410-5	3.6110-5	1.8110-5	9.310-6	4.5110-6	2.2410-6	1.0910-6	5.6110-7	2.82310-7	1.44310-7	6.910-8	3.5110-8
n	63
k	63	62	61	60	59	58	57	56	55	54	53	52	51	50	49
k/n	1	0.984	0.968	0.952	0.937	0.921	0.905	0.889	0.873	0.857	0.841	0.825	0.81	0.794	0.778
Pошс(k)	5.710-4	2.910-4	1.410-4	7.210-5	3.610-5	1.810-5	910-6	4.510-6	2.210-6	1.110-6	5.610-7	2.810-7	1.410-7	710-8	3.510-8
n	127
k	127	126	125	124	123	122	121	120	119	118	117	116	115	114	113
k/n	1	0.992	0.984	0.976	0.969	0.961	0.953	0.945	0.937	0.929	0.921	0.913	0.906	0.898	0.89
Pошс(k)	5.710-4	2.910-4	1.410-4	7.210-5	3.610-5	1.810-5	910-6	4.510-6	2.210-6	1.110-6	5.610-7	2.810-7	1.410-7	710-8	3.510-8
n	255
k	255	254	253	252	251	250	249	248	247	246	245	244	243	242	241
k/n	1	0.996	0.992	0.988	0.984	0.98	0.976	0.973	0.969	0.965	0.961	0.957	0.953	0.949	0.945
Pошс(k)	5.710-4	2.910-4	1.410-4	7.210-5	3.610-5	1.810-5	910-6	4.510-6	2.210-6	1.110-6	5.610-7	2.810-7	1.410-7	710-8	3.510-8
n	511
k	511	510	509	508	507	506	505	504	503	502	501	500	499	498	497
k/n	1	0.998	0.996	0.994	0.992	0.99	0.988	0.986	0.984	0.982	0.98	0.978	0.977	0.975	0.973
Pошс(k)	5.710-4	2.910-4	1.410-4	7.210-5	3.610-5	1.810-5	910-6	4.510-6	2.210-6	1.110-6	5.610-7	2.810-7	1.410-7	710-8	3.510-8

Рисунок 3.1 - График зависимости P_ошс(k) = f(k,n)

По построенным в результате расчетов графикам из приложения [13], выбираем коды, обеспечивающие выполнения условия Р_ошс(k) ? 10^-7 и имеющие максимальные значения k/n для каждого п. Эти данные приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Выбор корректирующих кодов

n	15	31	63	127	255	511
k	-	16	45	113	239	493

Следующим этапом является расчет скорости передачи R для каждого из выбранных кодов. Данные расчетов приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Результаты расчета скорости передачи R

n	15	31	63	127	255	511
k	-	16	45	113	239	493
R	-	0.239	0.343	0.436	0.463	0.452

Итак, для удовлетворения требований по допустимой вероятности ошибки при максимальной скорости передачи был определен циклический код с n_опт = 255 и k_опт = 239.

Следующим этапом работы будет разработка структурной и функциональной схемы устройства.

Выводы

На основе анализа параметров каналов передачи данных с обратной связью определены критерии эффективности корректирующих кодов - вероятность необнаружения ошибок в кодовой комбинации должна быть не больше заданной, а также скорость передачи должна быть возможно большей, используя которые проведен выбор кода с параметрами n_опт = 255 и k_опт = 239, обеспечивающего заданную достоверность и максимизирующего скорость информационного обмена.

4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОДИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

4.1 Разработка структурной схемы кодирующего устройства

Кодирующее устройство представляет собой конечный автомат, выходная последовательность символов B_i которого зависит в данный момент времени от k входных информационных символов L_i. Так как при линейном кодировании проверочные символы b_n получаются как линейные комбинации информационных, то кодирующее устройство должно состоять из запоминающего блока информационной последовательности, алгоритмического блока и запоминающего блока выходной последовательности. Структурная схема кодирующего устройства имеет вид, представленный на рисунке 4.1.

P₁ - запоминающий регистр L_i;

P₂ - запоминающий регистр b_пр;

АБ - алгоритмический блок.

Рис. 4.1 - Структурная схема кодирующего устройства

В качестве запоминающих блоков удобно использовать регистры сдвига, а основными элементами алгоритмического блока являются сумматоры по модулю два. Алгоритм кодирования определяет набор коэффициентов связи между ячейками регистров.

Таким образом, дальнейшим направлением работы будет проектирование запоминающий устройств и алгоритмического блока.

4.2 Разработка функциональной схемы кодирующего устройства

Кодовая комбинация циклического n-элементного избыточного кода может быть получена двумя способами:

1. Умножением кодовой комбинации G(x) простого k-элементного кода на порождающий полином Р(х).

2. Умножением кодовой комбинации G(x) простого кода на одночлен х^r и добавлением к этому произведению остатка R(x), полученною в результате деления произведения x^rG(x) на порождающий полином Р(х).

Однако в некоторых случаях более простым и наглядным является второй способ преобразования простого k-элементного кода в n-элементный циклический код. Приписав к каждой кодовой комбинации G(x) простого кода остаток от деления произведения x^rG(x) на порождающий многочлен, имеющий степень r, получим циклический корректирующий (n,k)-код.

В качестве устройства для реализации деления многочлена x^rG(x) на Р(х) и получения остатка R(x) можно использовать сдвигающий регистр с набором сумматоров по модулю 2.

Правила построения схем регистров, используемых в качестве кодирующих и декодирующих устройств следующие:

1. Число ячеек в регистре равно степени образующего (порождающего) полинома Р(х) или числу избыточных элементов в кодовой комбинации циклического кода.

2. Ячейки в регистре располагаются по возрастающим индексам коэффициентов полинома Р(х), при этом первая ячейка соответствует коэффициенту при нулевой степени (х⁰), а последняя - коэффициенту при (n - k - 1) = (r-1)-й степени (х^n-k-1 = х^r-1).

3. Число сумматоров по модулю 2 в схеме равно весу образующего полинома Р(х) без единицы или числу знаков "+" в порождающем многочлене.

4. Сумматоры по модулю 2 включаются в следующем порядке: первый сумматор подключается перед входом ячейки нулевой степени (х⁰), остальные сумматоры - перед входом тех ячеек, которые отображают члены полинома Р(х) с ненулевыми коэффициентами, кроме члена высшей степени.

5. Перед членом высшей степени можно включить также сумматор, но на практике он не включается, так как дает результат сложения по модулю 2 старшего разряда делимого со старшим разрядом делителя, а этот результат заранее известен (1 + 1) и тождественно равен нулю.

6. Выход регистра подключается к входу первого сумматора; такое соединение образует цепь обратной связи. На другой вход этого сумматора подается делимое.

7. Выход первого сумматора подключается к входу первой ячейки регистра х⁰ и ко вторым входам всех остальных сумматоров.

Образующий полином выбирается по известным n и k. По ним определяется и число проверочных элементов r. В большинстве случаев образующий полином может быть представлен как произведение нескольких неприводимых сомножителей: P(x) = P₁(x)P₂(x)…P_n(x).

Неприводимые сомножители выбираются такой степени, чтобы в результате их умножения по правилам над многочленами в поле двоичных чисел степень старшего члена была равна степени образующего полинома.

В соответствии с результатами выбора корректирующего кода: n=255, k = 239. Тогда степень образующего полинома должна быть равна r = n - k = 255 - 239 = 16. Такой полином может быть представлен как произведение как произведение двух неприводимых сомножителей восьмой степени. По корням неприводимых сомножителей по теоремам Боуза-Чоудхури определяется кратность гарантировано обнаруживаемых ошибок циклическим кодом.

В нашем случае:

P₁(x) = x⁸+x⁴+x³+x²+1(4.1)

P₂(x) = x⁸+x⁶+x⁵+x⁴+x²+x+1(4.2)

Тогда:

P(x) = x¹⁶+x¹⁴+x¹³+x¹¹+x¹⁰+x⁹+x⁸+x⁶+x⁵+x+1(4.3)

Исходя из изложенного выше, функциональная схема кодирующего устройства для циклического (255,239)-кода имеет следующий вид (рисунок 4.2).

Кодирующее устройство состоит из регистра, в который входят ячейки и десять сумматоров по модулю 2. Пусть требуется закодировать произведение x^rG(x) = 1000000. Это значит, что необходимо полином степени «n» x^rG(x) разделить на порождающий многочлен Р(х).

Процесс деления заканчивается через k = n-r = 239 тактов, весь процесс кодирования осуществляется за n = 255 тактов. Кодирование осуществляется в два этапа.

В течение первого этапа, который продолжается k = 239 тактов, ячейка И1 открыта, а ячейка И2 закрыта. Поэтому на выход поступает k информационных разрядов. Одновременно с этим производится деление x^rG(x) на образующий полином Р(х).

На втором этапе, который состоит из r = 16 тактов, записанный на ячейках регистра результат деления (проверочные разряды) выводится на выход кодирующего устройства. В течение второго этапа ячейка И1 закрыта, а И2 - открыта.

В рассматриваемой схеме регистра первый остаток получается после первого такта, 239-й - после 239-го такта. За последние 16 тактов остаток выводится из регистра и передается в канал через ячейки И2 и ИЛИ.

Временные диаграммы работы устройства приведены на рисунке 4.3. Из вышеизложенного следует, что схема кодирующего устройства определяется образующим (порождающим) полиномом Р(х). Поскольку для построения каждого циклического (n,k)-кода можно использовать несколько образующих полиномов и так как наиболее сложным элементом в регистрах кодирующих и декодирующих устройств являются сумматоры по модулю 2, то целесообразно использовать образующие полиномы, имеющие минимальный вес. Тогда согласно пункту 3 правил построения кодирующих и декодирующих устройств их регистры будут содержать минимальное количество сумматоров по модулю 2.

4.3 Разработка принципиальной электрической схемы кодирующего устройства

Существует большое разнообразие систем логических элементов в зависимости от типа логической схемы (диодно-транзисторная логика, транзисторно-транзисторная логика, эмиттерно-связанная логика и др.), физических принципов построения активных приборов (биполярные, полевые, туннельные), от типа информационных сигналов (потенциальные, импульсные, импульсно-потенциальные), от способа передачи информации от одного ЛЭ к другому (синхронные, асинхронные, стартстопные) [ЛИТ].

Рисунок 4.2 - Функциональная схема кодирующего устройства



Рисунок 4.3 - Временные диаграммы работы устройства

Однако несмотря на все это, ЛЭ характеризуются некоторыми общими свойствами и параметрами, выделяющими их в самостоятельный класс электронных схем, работающих по качественному признаку да-нет.

4.3.1 Выбор элементной базы

Прежде чем приступить к построению принципиальной схемы устройства необходимо подобрать элементную базу, на которой оно будет построено.

Согласно заданию на дипломный проект элементы схемы должны отвечать следующим условиям:

- обеспечивать скорость передачи информации не менее 100 Мбит/с;

- иметь малое энергопотребление;

- иметь малую стоимость;

- иметь высокую надежность;

- иметь малые габариты.

Учитывая выше изложенные условия, сделаем выбор элементной базы, на которой будет строиться проектируемое устройство.

Для реализации ИС с различным быстродействием используют несколько отличающихся друг от друга схемотехнических принципов. Наиболее быстродействующие ИС построены на основе элементов эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ). Такие ИС могут переключаться с высокой частотой, достигающей в некоторых микросхемах 2000 МГц, но при этом они потребляют значительную мощность и имеют низкую помехоустойчивость.

Для микроэлектронных устройств с меньшим быстродействием более приемлемы ИС, построенные на основе элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Эти микросхемы по быстродействию перекрывают диапазон до 150 МГц, характеризуются меньшим энергопотреблением и более высокой помехоустойчивостью.

Интегральные микросхемы построенные на основе КМОП (комплементарные полевые транзисторы со структурой металл-окисел-полупроводник) технологий по отношению к ИС ТТЛ обладают малой потребляемой мощностью (в статическом режиме), имеют большой диапазон напряжения питания (возможно использовать нестабилизированные источники питания), позволяют подключать к выходу до 50 элементов. Однако недостатки присущие элементам КМОП существенно сужают область их применения, к таким недостаткам следует отнести:

- повышенное выходное сопротивление,

- большие времена задержки и длительности фронтов,

- большой разброс всех параметров.

Исходя из приведенных выше данных, разработку принципиальной схемы проектируемого устройства необходимо осуществлять на основе интегральных схем ТТЛ структуры.

Микросхемы К531ТМ8 и К531ТМ9 расположены в 16-контактных корпусах и содержат наборы D-триггеров, имеющих общие входы синхронного сброса и тактового запуска С. В микросхемах К531ТМ8 число триггеров четыре, у каждого есть выходы Q и . Микросхема К531ТМ9 содержат шесть D-триггеров, у которых только один выход Q. Микросхема К531ТМ8 имеет структуру, показанную на рисунке 4.4а. Ее цоколевка приведена на рисунке 4.4б. Аналогичные изображения для микросхемы К531ТМ9 даны на рисунках 4.4в, г. Режимы работы триггеров в микросхемах К531ТМ8 и К531ТМ9 соответствуют таблице 4.1.

Сброс всех триггеров в состояние Q_n=H произойдет, когда на вход асинхронного сброса будет подано напряжение низкого уровня Н.

Таблица 4.1 - Состояния триггеров из микросхем К531ТМ8 и К531ТМ9

Режим работы	Вход	Выход
		С	Dn	Qn
Сброс	Н	x	x	H	B
Загрузка 1	В		в	B	H
Загрузка 0	В		н	H	B

Входы С и D_n, когда = H, не действуют, их состояние безразлично (х). Информацию от параллельных входов данных (Dl-D4 для К531ТМ8 и D1-D6 для К531ТМ9) можно загрузить в триггеры микросхем, если на вход подать напряжение высокого уровня.

Сброс всех триггеров в состояние Q_n=H произойдет, когда на вход асинхронного сброса будет подано напряжение низкого уровня Н. Входы С и D_n, когда = H, не действуют, их состояние безразлично (х). Информацию от параллельных входов данных (Dl-D4 для К531ТМ8 и D1-D6 для К531ТМ9) можно загрузить в триггеры микросхем, если на вход подать напряжение высокого уровня. Тогда на тактовый вход С следует подать положительный перепад импульса и предварительно установленные на каждом входе D напряжения высокого или низкого (в или н) уровня появятся на выходе Q (т.е. В или Н соответственно).

Микросхема К531ТМ8 имеет ток потребления 96 мА, Максимальная тактовая частота составляет 50 МГц, а время задержки распространения сигнала сброса 22 нс.

Микросхема К531ТМ9 потребляет пропорционально усложнению больший ток питания -144 мА. Тактовая частота достигает 75 МГц. Основное назначение микросхем К531ТМ8 и К531ТМ9 - построение регистров данных, запускаемых перепадами тактового импульса.

Кроме выше перечисленных устройств, схема содержит простые логические устройства 2И, 2ИЛИ, сумматоры по mod2 которые имеются во всех сериях микросхем.

Электрическая принципиальная схема разрабатываемого устройства представлена на рисунке 4.5.

D-триггеры:

а) - микросхема К531ТМ8; б) - цоколевка К531ТМ8; в) - микросхема К531ТМ9; г) - цоколевка К531ТМ9

Рисунок 4.4 - D-триггеры



Рисунок 4.5 - Схема электрическая принципиальная кодирующего устройства

Выводы

1. На основе принципов линейного кодирования была разработана структурная схема, на основе которой построена функциональная схема проектируемого устройства.

2. В качестве элементной базы выбраны интегральные схемы ТТЛ структуры, с использованием которых произведена разработка электрической принципиальной схемы.

5 БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА

5.1 Общая характеристика условий труда оператора ПЭВМ

Работа оператора ПЭВМ относится к категории работ, связанных с опасными и вредными условиями труда. В процессе труда на оператора ПЭВМ оказывают действие опасные и вредные производственные факторы [29] приведенные в таблице 5.1

Таблица 5.1 - Вредные и опасные факторы, влияющие на оператора ПЭВМ

Группа факторов	Фактор
Физические	- повышенные уровни электромагнитного излучения; - повышенный уровень инфракрасного излучения; - повышенный уровень статического электричества; - повышенные уровни запыленности воздуха рабочей зоны; - пониженная или повышенная влажность воздуха рабочей зоны; - повышенный уровень шума; - повышенный или пониженный уровень освещенности; - повышенный уровень пульсации светового потока; - повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека;
Химические	повышенное содержание в воздухе рабочей зоны двуокиси углерода, озона, аммиака, фенола, формальдегида и полихлорированных бифенилов;
Психофизиологические	- напряжение зрения; - напряжение внимания; - интеллектуальные нагрузки; - эмоциональные нагрузки; - длительные статические нагрузки; - монотонность труда; - большой объем информации обрабатываемой в единицу времени; - нерациональная организация рабочего места;
Биологические	повышенное содержание в воздухе рабочей зоны микроорганизмов.

Возникновение большинства из них возникает в результате ошибок человека-оператора и ненадлежащего состояния технических систем. Человеком-оператором является любой человек, использующий для выполнения производственных или бытовых задач технические средства. Деятельность оператора при решении той или иной технологической операции состоит из следующих этапов:

- восприятия информации,

- оценки информации,

- анализа и обобщения информации на основе заранее заданных и сформулированных критериев оценки,

- принятия решения о действиях,

- приведение в исполнение принятого решения.

На каждом из этих этапов возможны ошибки. Причины ошибок, приводящих к травматизму можно объединить в следующие группы:

1. Ошибки ориентации, возникающие в результате неполучения оператором информации из-за слабого сигнала или его отсутствия. Это самые распространенные ошибки.

2. Ошибки принятия решений. Возникают по 2 причинам: во-первых, из-за неспособности принять решение ввиду неправильной оценки ситуации, неприспособленности к работе из-за недостатка знаний, опыта; во-вторых, неправильный выбор действия из-за недостатка знаний, опыта.

3. Ошибки выполнения действий, т.е. неверные действия. Ошибка может быть выражена в бездействии (не усвоенная последовательность действий) или в неправильном выборе действия (неадекватное расположение приборов, недостаточность внимания, усталость и т.д.).

Основные способы снижения вероятности возникновения ошибок у операторов ПЭВМ, которые способны привести к аварийным ситуациям приведены на рисунке 5.1.



Рисунок 5.1 - Способы уменьшения вероятности ошибок оператора ПЭВМ

При работе со студентами одним из самых важных методов обеспечения безопасности является обучение безопасным приемам работы.

Обучению по охране труда и проверке знаний требований охраны труда подлежат все работники организации, в том числе ее руководитель. Работники, имеющие квалификацию инженера (специалиста) по безопасности технологических процессов и производств или по охране труда, а также работники федеральных органов исполнительной власти, органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации в области охраны труда, государственного надзора и контроля, имеющие непрерывный стаж работы в области охраны труда не менее пяти лет, в течение года после поступления на работу могут не проходить обучение по охране труда и проверку знаний требований охраны труда.

Работодатель обязан обеспечить обучение работников безопасным методам труда в объёмах программ по профессиям, утверждённым в установленном порядке. Обучение должно быть организовано в соответствии с требованиями «Порядка обучения по охране труда и проверки знаний требований охраны труда работников организаций» от 13.01.2003 г. №1/29.

Для всех принимаемых на работу лиц, а также для работников, переводимых на другую работу, работодатель (или уполномоченное им лицо) обязан проводить инструктаж по охране труда (рисунок 5.2).

Рисунок 5.2 - Виды инструктажа в процессе трудовой деятельности

Все виды инструктажей считаются элементами учебы. При инструктаже особое внимание уделяется сотрудникам со стажем до 1 года, а также опытным сотрудникам с большим стажем. Эти категории рабочих наиболее подвержены травматизму. В первом случае - из-за неопытности, во втором - из-за чрезмерной самоуверенности. Разбор несчастных случаев, проработка приказов есть также своеобразная форма обучения. По характеру и времени проведения инструктажи подразделяют на:

1 вводный;

2 первичный на рабочем месте;

3 повторный;

4 внеплановый;

5 целевой.

Вводный инструктаж и первичный на рабочем месте проводятся по утвержденным программам.

Вводный инструктаж по безопасности труда проводит инженер по охране труда или лицо, на которое возложены эти обязанности, со всеми вновь принимаемыми на работу не зависимо от их образования, стажа работы по данной профессии или должности, с временными работниками, командированными, учащимися и студентами, прибывшими на производственное обучение или практику, а также учащимися в учебных заведениях. Он знакомит с правилами по технике безопасности, внутреннего распорядка предприятия, основными причинами несчастных случаев. О проведении вводного инструктажа делают запись в журнале регистрации вводного инструктажа с обязательной подписью инструктируемого и инструктирующего, а также в документе о приеме на работу или контрольном листе. Проведение вводного инструктажа с учащимися регистрируют в журнале учета учебной работы.

Первичный инструктаж по охране труда на рабочем месте до начала производственной деятельности проводит непосредственный руководитель работ по инструкциям по охране труда, разработанным для отдельных профессий или видов работ:

- со всеми работниками, вновь принятыми в организацию, и переводимыми из одного подразделения в другое;

- с работниками, выполняющими новую для них работу, командированными, временными работниками;

- со строителями, выполняющими строительно-монтажные работы на территории действующей организации;

- со студентами и учащимися, прибывшими на производственное обучение или практику перед выполнением новых видов работ, а также перед изучением каждой новой темы при проведении практических занятий в учебных лабораториях, классах, мастерских, участках.

Лица, которые не связаны с обслуживанием, испытанием, наладкой и ремонтом оборудования, использованием инструмента, хранением и применением сырья и материалов, могут быть освобождены от первичного инструктажа.

Перечень профессий и должностных работников, освобожденных от первичного инструктажа на рабочем месте, утверждает руководитель организации по согласованию с профсоюзным комитетом и службой охраны труда

Все работники, в том числе выпускники профтехучилищ, после первичного инструктажа на рабочем месте должны в течение первых 2-14 смен (в зависимости от характера работы, квалификации работника) пройти стажировку по безопасным методам и приемам труда на рабочем месте под руководством лиц, назначенных приказом (распоряжением) по предприятию (подразделению, цеху, участку и т.п.). Ученики и практиканты прикрепляются к квалифицированным специалистам на время практики.

Повторный инструктаж проходят все работающие, за исключением лиц, освобожденных от первичного инструктажа на рабочем месте, не зависимо от их квалификации, образования и стажа работы не реже чем через 6 месяцев. Его проводят с целью проверки знаний правил и инструкций по охране труда, а также с целью повышения знаний индивидуально или с группой работников одной профессии, бригады по программе инструктажа на рабочем месте. По согласованию с соответствующими органами государственного надзора для некоторых категорий работников может быть установлен более продолжительный (до 1 года) срок прохождения повторного инструктажа.

Повторный инструктаж проводится по программам первичного инструктажа на рабочем месте и регистрируется в журнале инструктажа на рабочем месте.

Внеплановый инструктаж проводится:

- при введении в действие новых или переработанных стандартов, правил, инструкций по охране труда, а также изменений к ним;

- при изменении технологического процесса, замене или модернизации оборудования, приспособлений и инструмента, исходного сырья, материалов и других факторов, влияющих на безопасность труда;

- при нарушении работающими и учащимися требований безопасности труда, которые могут привести или привели к травме, аварии, взрыву или пожару, отравлению;

- по требованию органов надзора;

- при переводе на новую должность;

- при перерывах в работе - для работ, к которым предъявляются дополнительные (повышенные) требования безопасности труда, более чем 30 календарных дней, а для остальных работ - более двух месяцев.

Внеплановый инструктаж проводят индивидуально или с группой работников одной профессии. Объем и содержание инструктажа определяют в каждом конкретном случае в зависимости от причин или обстоятельств, вызвавших необходимость его проведения. Внеплановый инструктаж отмечается в журнале регистрации инструктажа на рабочем месте с указанием причин его проведения. Внеплановый инструктаж проводит непосредственно руководитель работ (преподаватель, мастер).

Целевой инструктаж проводится:

- при выполнении разовых работ, не связанных с прямыми обязанностями работника по специальности (погрузка, выгрузка, уборка территории, разовые работы вне предприятия, цеха и т. п.);

- при ликвидации последствий аварии, стихийных бедствий, производстве работ, на которые оформляется наряд-допуск, разрешение и другие документы. Целевой инструктаж проводится непосредственно руководителем работ и фиксируется в журнале инструктажей и необходимых случаях - в наряде-допуске.

Организация рабочего места оператора существенным образом влияет на его работоспособность. Т.к. большая часть труда студента связана с работой за персональной электронно-вычислительной машиной (ПЭВМ), рассмотрим особенности рациональной компоновки рабочего места оператора ПЭВМ. Основные требования к организации работы с ПЭВМ, направленные на предотвращения неблагоприятного влияния на здоровье человека вредных факторов производственной среды и трудового процесса изложены в Санитарно-эпидемиологических правилах и нормативах [30] . Требования охраны труда (ОТ) при работе ПЭВМ приведены на рисунке 5.3.

Рис. 5.3 - Требования охраны труда при работе ПЭВМ

Соблюдение всех указанных требований в учебном заведении - залог сохранения здоровья студентов.

Одним из существенных факторов, влияющих на работоспособность оператора ПЭВМ является шум. Шум - это беспорядочное сочетание звука в помещении или на открытой местности. Классификация шумов в помещениях, оборудованных ПЭВМ:

- По характеру спектра - широкополосный, тональный;

- По временному показателю: постоянный (уровень меняется за рабочую смену не более чем на 5 дБ), непостоянный (импульсный - состоит из отдельных сигналов длительностью 1 сек и менее; прерывистый, широкополосный, колеблющийся).

По источнику возникновения: механический, аэродинамический. Негативные проявления шума:

- Увеличение мускульного напряжения;

- Напряжение нервной системы;

- снижение работоспособности и ослабление внимания;

- Колебание артериального давления;

- Нарушение витаминного, белкового, жирового обмена;